Tuesday, March 5, 2024
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वैज्ञानिकों ने प्राचीन रूबिस्को को उनके विकास को समझने के लिए पुनर्जीवित किया

लीसंभवतः पृथ्वी पर सबसे प्रचुर मात्रा में एंजाइम, रूबिस्को प्रकाश संश्लेषक जीवों में पर्यावरण से कार्बन को ठीक करने का महत्वपूर्ण कार्य करता है। रूबिस्को के चार रूपों में से आज मौजूद हैं, फॉर्म I- साइनोबैक्टीरिया में मौजूद है, कुछ शैवाल और पौधों में कार्बन डाइऑक्साइड के लिए उच्चतम विशिष्टता और सबसे कुशल उत्प्रेरक गतिविधि है। शोधकर्ताओं ने पैतृक रूबिस्को अनुक्रमों का पुनर्निर्माण किया और मापा कि इन पुनर्जीवित पुटीय प्रोटीन ने एक प्रयोगशाला सेटिंग में कितना अच्छा प्रदर्शन किया, कल (13 अक्टूबर) को ऑनलाइन प्रकाशित एक अध्ययन में प्रस्तावित किया। विज्ञान उस रूप में I के बेहतर गुणों को एक छोटे से सबयूनिट के लाभ के लिए धन्यवाद प्राप्त किया गया था। अध्ययन में, लेखक यह बताते हैं कि यह संक्रमण कैसे हो सकता है।

फॉर्म I रूबिस्को आठ समान उत्प्रेरक बड़े सबयूनिट और आठ समान छोटे सबयूनिट से बना है। शोधकर्ताओं को लंबे समय से संदेह था कि CO . के साथ भेदभाव करने की इसकी बढ़ी हुई क्षमता2 रासायनिक रूप से समान अणु ऑक्सीजन (O .) से2) इन छोटे उप-इकाइयों की उपस्थिति से संबंधित हो सकते हैं, क्योंकि रूबिस्को के किसी अन्य रूप में उनके पास नहीं है। हालाँकि, “इस पेपर के आने से पहले, हमारे पास वास्तव में इसे मान्य करने का कोई सीधा तरीका नहीं था,” यूनिवर्सिटी ऑफ़ ऑक्सफ़ोर्ड प्लांट इवोल्यूशनरी बायोलॉजिस्ट कहते हैं जैक्स बौविएरजिन्होंने इस अध्ययन में भाग नहीं लिया, क्योंकि छोटे सबयूनिट्स को हटाने से एंजाइम की स्थिरता और कार्य बाधित होता है।

विलुप्त रूबिस्कोस को वापस जीवन में लाना

कब जॉर्ज होचबर्गजर्मनी के मारबर्ग में मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट फॉर टेरेस्ट्रियल माइक्रोबायोलॉजी में एक विकासवादी जैव रसायनज्ञ, सिंथेटिक जीवविज्ञानी से मिले टोबियास एरबो और डॉक्टरेट शोधकर्ता लुका शुल्ज़ो उसी संस्थान में, उन्होंने सोचा कि वे शायद एंजाइम के प्रदर्शन में छोटे सबयूनिट की भूमिका का परीक्षण करने की चुनौती से निपट सकते हैं, वे कहते हैं, आज के फॉर्म I रूबिस्कोस के पूर्वजों के पुनर्निर्माण के लिए फ़ाइलोजेनेटिक्स और सिंथेटिक जीवविज्ञान का उपयोग करके।

शोधकर्ताओं ने पहले बड़े और छोटे दोनों उप-इकाइयों के फ़ाइलोजेनी का पुनर्निर्माण किया। इसके लिए, उन्होंने “बहुत व्यापक रूप से नमूना लिया,” शुल्ज कहते हैं, सार्वजनिक डेटाबेस से प्राप्त अनुक्रमों की एक विस्तृत श्रृंखला को एक साथ रखते हुए। उनके विश्लेषण ने बड़े सबयूनिट के दो प्रमुख प्रमुख पूर्वजों की ओर इशारा किया: एएनसीएल, बड़े सबयूनिट से पहले अंतिम सामान्य पूर्वज ने छोटे सबयूनिट के साथ बातचीत शुरू की, और एएनसीएल, सभी रूबिस्को के अंतिम सामान्य पूर्वज जिसमें एक बड़ा और छोटा सबयूनिट इंटरैक्ट करता है। विश्लेषण ने आगे सुझाव दिया कि सबसे पारदर्शक परिदृश्य यह है कि वायुमंडलीय ऑक्सीजन का स्तर बढ़ने से पहले रूबिस्कोस थर्मोफिलिक एनारोबेस में विकसित हुआ, यह संकेत देता है कि उच्च सीओ 22 विशिष्टता वैश्विक उच्च O . द्वारा उत्पन्न चयनात्मक दबाव का परिणाम नहीं हो सकती है2 स्तर।

फिर, टीम ने इन दो बड़े सबयूनिट पूर्वजों को संश्लेषित किया, साथ ही साथ एक पुश्तैनी छोटा सबयूनिट (एएनसीएसएसयू) भी फ़ाइलोजेनी से अनुमान लगाया। “एक बार जब आप उस अनुक्रम को जान लेते हैं, तो आप डीएनए के एक खंड को संश्लेषित करने के लिए अनिवार्य रूप से सुंदर मानक सिंथेटिक जीव विज्ञान का उपयोग कर सकते हैं जो इसके लिए कोड करता है, इसे बैक्टीरिया को खिलाता है जो फिर डीएनए के खिंचाव की व्याख्या करता है, और प्रोटीन का उत्पादन करता है,” होचबर्ग कहते हैं। प्रोटीन को फिर इन जीवाणुओं से शुद्ध किया जाता है, और शोधकर्ता इसकी गतिविधि को चिह्नित करने में सक्षम होते हैं, वे बताते हैं। इससे, उन्होंने और उनके सहयोगियों ने सीखा, उदाहरण के लिए, कि AncL AncSSU से बंधा हुआ नहीं लगता है, जबकि AncLS करता है, और इसके अलावा, छोटा सबयूनिट इसके लिए आवश्यक है – इसकी अनुपस्थिति में, AncLS घुलनशीलता बिगड़ा हुआ है, यह सुझाव देता है कि इस पर निर्भरता बातचीत के तुरंत बाद छोटी सबयूनिट विकसित होने की संभावना है।

देखना “वैज्ञानिक प्राचीन प्रोटीन को जीवन में वापस लाते हैं

इसके अलावा, कार्बन डाइऑक्साइड की उत्प्रेरक दक्षता और विशिष्टता एएनसीएल की तुलना में एएनएलएस + एएनसीएसएसयू कॉम्प्लेक्स के लिए अधिक थी। क्या यह छोटे सबयूनिट की उपस्थिति के कारण था? यह बताना कठिन था, क्योंकि इसके बिना AncLS का कार्य बिगड़ा हुआ है। होचबर्ग, शुल्ज, एर्ब और उनके सहयोगियों ने इस प्रकार बड़े सबयूनिट के पूर्वज का पुनर्निर्माण करने का लक्ष्य रखा जो उन्हें प्रश्न का परीक्षण करने की अनुमति देगा।

फॉर्म I रूबिस्को की संरचना: बड़े सबयूनिट्स को सियान में और छोटे सबयूनिट्स को मैजेंटा में दिखाया गया है।

© विज्ञान फोटो पुस्तकालय, लगुना डिजाइन

AncL और AncLS 95 अमीनो एसिड प्रतिस्थापन और तीन सम्मिलन द्वारा भिन्न थे। इसलिए टीम ने तर्क दिया कि, जैसा कि एएनसीएल छोटे सबयूनिट के साथ बातचीत नहीं करता है और एएनसीएल इस पर निर्भर है, वे अंतर उस एसोसिएशन में शामिल हो सकते हैं। शोधकर्ताओं ने एएनसीएलएस में 14 अंतरों पर ध्यान केंद्रित किया जो कि छोटे सबयूनिट के पास हैं। इनके साथ खेलकर, वे रूबिस्को संस्करण में आए जो छोटे सबयूनिट के बिना घुलनशील और कार्यात्मक है लेकिन यह इसे बांध सकता है: एएनसीएल +7। इसने उन्हें सीधे परीक्षण करने में सक्षम किया कि छोटे सबयूनिट के साथ बातचीत रूबिस्को के गुणों को कैसे प्रभावित करती है: उन्होंने पाया कि इससे कार्बोक्सिलेशन दक्षता, कटैलिसीस की तापमान सहनशीलता और सीओ में वृद्धि हुई है।2 बनाम ओ2 विशिष्टता।

बाउवियर कहते हैं कि लेखक एक रूबिस्को पूर्वज को इंजीनियर करने में सक्षम थे जो छोटे सबयूनिट पर निर्भर नहीं था, फिर भी इसे बांधने में सक्षम था, इस पेपर की एक महत्वपूर्ण प्रगति है। इसने शोधकर्ताओं को “इस छोटे सबयूनिट के साथ और उसके बिना इसकी गतिविधि का आकलन करने की अनुमति दी, जिसे हम किसी अन्य तरीके से नहीं कर सकते,” उन्होंने नोट किया।

टीम यह दिखाने में भी सक्षम थी कि एएनसीएल +7 के लिए एक और प्रतिस्थापन की शुरुआत करके, विशिष्टता को उस स्तर तक बढ़ा दिया गया था जो एएनसीएल से लगभग दोगुना हो गया था। हालाँकि, यह बढ़ावा केवल तभी होता है जब छोटा सबयूनिट मौजूद हो। एर्ब के लिए, यह अध्ययन का “सबसे रोमांचक खोज” है- यानी, दो रुबिस्को अणु जो कुछ उत्परिवर्तनों से भिन्न होते हैं, छोटे सबयूनिट के बिना समान व्यवहार कर सकते हैं, लेकिन इसके साथ बातचीत करते समय वे अचानक अपने प्रदर्शन में विचलन करते हैं। एक तरह से, वह कहते हैं, छोटा सबयूनिट एक “विकासवादी न्यूनाधिक” के रूप में कार्य करता है, जिसका अर्थ है कि उत्परिवर्तन जो पहले चुप थे, अचानक इस बातचीत के होने पर फर्क पड़ता है।

के बारे में सीखना—और से—विकास

रुबिस्को को ग्रेट ऑक्सीडेशन इवेंट से पहले विकसित होने के लिए जाना जाता है, जो लगभग 2.4 अरब साल पहले हुआ था जब वायुमंडलीय ऑक्सीजन में वृद्धि हुई थी, संभवतः पैतृक साइनोबैक्टीरिया द्वारा किए गए प्रकाश संश्लेषण के परिणामस्वरूप। फिर भी उच्च-विशिष्टता फॉर्म I रूबिस्को की उत्पत्ति का समय स्पष्ट नहीं है। लेखकों का प्रस्ताव है कि छोटे सबयूनिट और परिणामी गुणों के साथ बातचीत और निर्भरता- ग्रह पर ऑक्सीजन में वैश्विक वृद्धि की भविष्यवाणी कर सकती है, अन्य शोधकर्ताओं के मुताबिक, एक दिलचस्प चर्चा खुलती है। वैज्ञानिक.

देखना “प्रारंभिक पृथ्वी पर लंबे समय तक ऑक्सीजन का निर्माण हुआ: अध्ययन

यदि यह परिकल्पना सही है, तो हो सकता है कि प्रारंभिक मुख्य प्रेरक शक्ति कार्बन डाइऑक्साइड के लिए अपनी उच्च विशिष्टता के माध्यम से ऑक्सीजन की प्रतिक्रिया से बच नहीं रही हो, क्योंकि ऑक्सीजन अभी तक वातावरण में उच्च स्तर पर एक समस्या पेश करने के लिए मौजूद नहीं थी, कहते हैं इंगर एंडरसन, स्वीडन में उप्साला विश्वविद्यालय में एक संरचनात्मक जीवविज्ञानी और चेक एकेडमी ऑफ साइंसेज के जैव प्रौद्योगिकी संस्थान जो अध्ययन में शामिल नहीं थे। कुछ अन्य चालक होने की संभावना थी – उदाहरण के लिए, “एक कठोर सक्रिय साइट बनाना जो इस अणु को धारण कर सके” [CO2] और साइड रिएक्शन से बचें,” वह कहती हैं। “ऑक्सीजन पर कार्बोक्सिलेशन के लिए चयनात्मकता बाद में एक बोनस के रूप में आई,” वह एक अनुवर्ती ईमेल में जोड़ती है।

ग्रेट ऑक्सीडेशन इवेंट से पहले “हम जानते हैं कि वैश्विक ऑक्सीजन एकाग्रता कम थी”, लेकिन “हमें वास्तव में इस बारे में कोई जानकारी नहीं है कि कुछ में स्थानीय ऑक्सीजन एकाग्रता क्या हो सकती है। . . वातावरण, “कहते हैं स्टीवन केली, ऑक्सफोर्ड विश्वविद्यालय में प्रकाश संश्लेषण के विकास का अध्ययन करने वाला एक पादप वैज्ञानिक। यह अनुमान लगाना संभव है कि ये उच्च-विशिष्टता वाले रूबिस्को उच्च स्थानीय ऑक्सीजन सांद्रता वाले वातावरण में विकसित हो सकते हैं, हालांकि यह सुझाव देने के लिए कोई सबूत नहीं है कि क्या यह मामला था। केली, जो नए अध्ययन में शामिल नहीं थे, ने वाइल्ड बायोसाइंस के लिए सह-संस्थापक और परामर्श किया, एक कंपनी जिसका उद्देश्य प्रकाश संश्लेषण को बढ़ावा देकर फसल की उपज में सुधार करना है।

होचबर्ग का कहना है कि इस काम के सबसे रोमांचक पहलुओं में से एक यह है कि एक अच्छी तरह से अध्ययन और प्रसिद्ध एंजाइम के विकास की खोज ने “वास्तव में हमें वास्तव में नई चीजें सिखाई हैं कि यह कैसे काम करता है। . . . ऐसे प्रश्न जो वास्तव में कठिन जैव रसायन के दशकों के दौरान जवाबदेह नहीं थे” अब इस विकासवादी परिप्रेक्ष्य को एकीकृत करके सुलभ हो गए हैं।

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