आणविक जीवभौतिकी

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May 2015 vanc

एक राइबोसोम एक जैविक मशीन है जो प्रोटीन डोमेन गतिशीलता का उपयोग करती है, जिसे अब न्यूट्रॉन स्पिन इको स्पेक्ट्रोस्कोपी द्वारा देखा जा सकता है।

आणविक जीवभौतिकी (Molecular biophysics) अनुसंधान का एक तेजी से विकसित होता हुआ अंतःविषय क्षेत्र है जो भौतिकी, रसायन विज्ञान, इंजीनियरिंग, गणित और जीव विज्ञान की अवधारणाओं को जोड़ता है।[1] यह जैव-आणविक प्रणालियों को समझने और आणविक संरचना, संरचनात्मक संगठन और जटिलता के विभिन्न स्तरों (एकल अणुओं से लेकर सुप्रा-आणविक संरचनाओं, वायरस और छोटी जीवित प्रणालियों तक) पर गतिशील व्यवहार के संदर्भ में जैविक कार्य की व्याख्या करने का प्रयास करता है। यह अनुशासन आणविक बलों के मापन, आणविक संघों, एलोस्टेरिक इंटरैक्शन, ब्राउनियन गति, और केबल सिद्धांत जैसे विषयों को कवर करता है। अध्ययन के अतिरिक्त क्षेत्र Outline of Biophysics में पाए जा सकते हैं। इस अनुशासन के लिए नवीन प्रयोगात्मक दृष्टिकोणों के विकास की आवश्यकता रही है।

अवलोकन

आणविक जीवभौतिकी जैव रसायन और आणविक जीव विज्ञान में उत्पन्न होने वाले जैविक प्रश्नों को संबोधित करती है, और जैव-आणविक घटनाओं का आधार खोजने का प्रयास करती है। इस क्षेत्र के वैज्ञानिक एक कोशिका की विभिन्न प्रणालियों के बीच इंटरैक्शन को समझने से संबंधित शोध करते हैं, जिसमें DNA, RNA और प्रोटीन के बीच इंटरैक्शन शामिल हैं, साथ ही यह भी कि इन इंटरैक्शन को कैसे विनियमित किया जाता है। इन सवालों के जवाब देने के लिए कई तकनीकों का उपयोग किया जाता है।

फ्लोरोसेंट इमेजिंग तकनीकों, साथ ही इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी, एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी, NMR स्पेक्ट्रोस्कोपी, परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (AFM) और स्मॉल-एंगल स्कैटरिंग (SAS) का, एक्स-रे और न्यूट्रॉन (SAXS/SANS) दोनों के साथ, अक्सर जैविक महत्व की संरचनाओं को देखने के लिए उपयोग किया जाता है। प्रोटीन गतिशीलता को न्यूट्रॉन स्पिन इको स्पेक्ट्रोस्कोपी द्वारा देखा जा सकता है। संरचना में कन्फर्मेशनल परिवर्तनों को डुअल पोलराइजेशन इंटरफेरोमेट्री, सर्कुलर डाइक्रोइज्म, स्मॉल-एंगल एक्स-रे स्कैटरिंग, और स्मॉल-एंगल न्यूट्रॉन स्कैटरिंग का उपयोग करके देखा जा सकता है। ऑप्टिकल चिमटी या परमाणु बल माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके अणुओं का प्रत्यक्ष हेरफेर भी उन जैविक घटनाओं की निगरानी के लिए किया जा सकता है जहां बल और दूरियां नैनोस्कोपिक पैमाने पर होती हैं। आणविक जीवभौतिकीविद अक्सर जटिल जैविक घटनाओं को इंटरैक्ट करने वाली संस्थाओं की प्रणालियों के रूप में मानते हैं जिन्हें सांख्यिकीय यांत्रिकी, ऊष्मागतिकी और रासायनिक गतिकी के माध्यम से समझा जा सकता है। विभिन्न प्रकार के विषयों से ज्ञान और प्रयोगात्मक तकनीकों को प्राप्त करके, जीवभौतिकीविद अक्सर व्यक्तिगत अणुओं या अणुओं के परिसरों की संरचनाओं और इंटरैक्शन को सीधे देखने, मॉडल करने या यहां तक कि हेरफेर करने में सक्षम होते हैं।

अनुसंधान के क्षेत्र

June 2019

कम्प्यूटेशनल जीव विज्ञान

মূল নিবন্ধ: Computational biology कम्प्यूटेशनल जीव विज्ञान में जैविक, पारिस्थितिक, व्यवहारिक और सामाजिक प्रणालियों के अध्ययन के लिए डेटा-विश्लेषणात्मक और सैद्धांतिक विधियों, गणितीय मॉडलिंग और कम्प्यूटेशनल सिमुलेशन तकनीकों का विकास और अनुप्रयोग शामिल है। यह क्षेत्र व्यापक रूप से परिभाषित है और इसमें जीव विज्ञान, अनुप्रयुक्त गणित, सांख्यिकी, जैव रसायन, रसायन विज्ञान, जीवभौतिकी, आणविक जीव विज्ञान, आनुवंशिकी, जीनोमिक्स, कंप्यूटर विज्ञान और विकास में आधार शामिल हैं। कम्प्यूटेशनल जीव विज्ञान जीव विज्ञान के क्षेत्र के लिए उभरती प्रौद्योगिकियों को विकसित करने का एक महत्वपूर्ण हिस्सा बन गया है।[2] आणविक मॉडलिंग में अणुओं के व्यवहार को मॉडल करने या उसकी नकल करने के लिए उपयोग की जाने वाली सभी विधियां, सैद्धांतिक और कम्प्यूटेशनल, शामिल हैं। इन विधियों का उपयोग कम्प्यूटेशनल रसायन विज्ञान, दवा डिजाइन, कम्प्यूटेशनल जीव विज्ञान और सामग्री विज्ञान के क्षेत्रों में छोटे रासायनिक प्रणालियों से लेकर बड़े जैविक अणुओं और सामग्री असेंबलियों तक की आणविक प्रणालियों का अध्ययन करने के लिए किया जाता है।

झिल्ली जीवभौतिकी

মূল নিবন্ধ: Membrane biophysics झिल्ली जीवभौतिकी भौतिक, कम्प्यूटेशनल, गणितीय और जीवभौतिकीय विधियों का उपयोग करके जैविक झिल्ली संरचना और कार्य का अध्ययन है। इन विधियों के संयोजन का उपयोग विभिन्न प्रकार की झिल्लियों के फेज आरेख बनाने के लिए किया जा सकता है, जो एक झिल्ली और उसके घटकों के ऊष्मागतिक व्यवहार पर जानकारी प्रदान करता है। झिल्ली जीव विज्ञान के विपरीत, झिल्ली जीवभौतिकी मात्रात्मक जानकारी और विभिन्न झिल्ली घटनाओं की मॉडलिंग पर केंद्रित है, जैसे कि लिपिड राफ्ट गठन, लिपिड और कोलेस्ट्रॉल फ्लिप-फ्लॉप की दरें, प्रोटीन-लिपिड कपलिंग, और अंतर-कोशिका कनेक्शन पर झिल्लियों के झुकने और लोच कार्यों का प्रभाव।[3]

मोटर प्रोटीन

মূল নিবন্ধ: Motor proteins

माइक्रोट्यूब्यूल पर चलता हुआ काइनेसिन एक आणविक जैविक मशीन है जो नैनोस्केल पर प्रोटीन डोमेन गतिशीलता का उपयोग करती है

मोटर प्रोटीन आणविक मोटर्स का एक वर्ग है जो पशु कोशिकाओं के साइटोप्लाज्म के साथ चल सकता है। वे ATP के जल-अपघटन द्वारा रासायनिक ऊर्जा को यांत्रिक कार्य में परिवर्तित करते हैं। एक अच्छा उदाहरण मांसपेशी प्रोटीन मायोसिन है जो जानवरों में मांसपेशियों के तंतुओं के संकुचन को "मोटर" करता है। मोटर प्रोटीन साइटोप्लाज्म में प्रोटीन और वेसिकल के सक्रिय परिवहन के पीछे प्रेरक शक्ति हैं। काइनेसिन और साइटोप्लाज्मिक डाइनिन इंट्रासेल्युलर परिवहन जैसे एक्सोनल परिवहन और माइटोसिस और मियोसिस के दौरान स्पिंडल तंत्र के गठन और क्रोमोसोम के पृथक्करण में आवश्यक भूमिका निभाते हैं। एक्सोनेमल डाइनिन, जो सिलिया और फ्लैगेला में पाया जाता है, कोशिका गतिशीलता के लिए महत्वपूर्ण है, उदाहरण के लिए शुक्राणु में, और द्रव परिवहन, उदाहरण के लिए श्वासनली में। कुछ जैविक मशीनें मोटर प्रोटीन होती हैं, जैसे मायोसिन, जो मांसपेशी संकुचन के लिए जिम्मेदार है, काइनेसिन, जो माइक्रोट्यूब्यूल के साथ कोशिकाओं के अंदर कार्गो को कोशिका केंद्रक से दूर ले जाता है, और डाइनिन, जो कोशिकाओं के अंदर कार्गो को केंद्रक की ओर ले जाता है और मोटाइल सिलिया और फ्लैगेला की एक्सोनेमल बीटिंग उत्पन्न करता है। "वास्तव में, [मोटाइल सिलियम] 600 से अधिक प्रोटीन से बनी एक नैनो-मशीन है जो आणविक परिसरों में है, जिनमें से कई स्वतंत्र रूप से नैनो-मशीनों के रूप में भी कार्य करते हैं... लचीले लिंकर उनके द्वारा जुड़े मोबाइल प्रोटीन डोमेन को अपने बाइंडिंग भागीदारों को भर्ती करने और प्रोटीन डोमेन गतिशीलता के माध्यम से लंबी दूरी की एलोस्टेरी को प्रेरित करने की अनुमति देते हैं।[4] अन्य जैविक मशीनें ऊर्जा उत्पादन के लिए जिम्मेदार हैं, उदाहरण के लिए ATP सिंथेस जो ATP को संश्लेषित करने के लिए उपयोग की जाने वाली टरबाइन जैसी गति को चलाने के लिए झिल्लियों के पार प्रोटॉन ग्रेडिएंट से ऊर्जा का उपयोग करता है, जो कोशिका की ऊर्जा मुद्रा है। अभी भी अन्य मशीनें जीन अभिव्यक्ति के लिए जिम्मेदार हैं, जिसमें DNA को दोहराने के लिए DNA पॉलीमरेज़, mRNA का उत्पादन करने के लिए RNA पॉलीमरेज़, इंट्रोन को हटाने के लिए स्प्लिसियोसोम, और प्रोटीन को संश्लेषित करने के लिए राइबोसोम शामिल हैं। ये मशीनें और उनकी नैनोस्केल गतिशीलता किसी भी ऐसी आणविक मशीन से कहीं अधिक जटिल हैं जिन्हें अभी तक कृत्रिम रूप से बनाया गया है।

ये आणविक मोटर्स जीवित जीवों में गति के आवश्यक एजेंट हैं। सामान्य शब्दों में, एक मोटर एक ऐसा उपकरण है जो ऊर्जा को एक रूप में उपभोग करता है और इसे गति या यांत्रिक कार्य में परिवर्तित करता है; उदाहरण के लिए, कई प्रोटीन-आधारित आणविक मोटर्स यांत्रिक कार्य करने के लिए ATP के जल-अपघटन द्वारा जारी रासायनिक गिब्स मुक्त ऊर्जा का उपयोग करते हैं।[5] ऊर्जा दक्षता के मामले में, इस प्रकार की मोटर वर्तमान में उपलब्ध मानव निर्मित मोटर्स से बेहतर हो सकती है।

नैनोमेडिसिन

रिचर्ड फेनमैन ने नैनोमेडिसिन के भविष्य के बारे में सिद्धांत दिया। उन्होंने जैविक मशीन के 'चिकित्सीय' उपयोग के विचार के बारे में लिखा। फेनमैन और अल्बर्ट हिब्स ने सुझाव दिया कि कुछ मरम्मत मशीनों को एक दिन इतना छोटा किया जा सकता है कि (जैसा कि फेनमैन ने कहा) "डॉक्टर को निगलना" संभव हो जाएगा। इस विचार पर फेनमैन के 1959 के निबंध "There's Plenty of Room at the Bottom" में चर्चा की गई थी।[6]

इन जैविक मशीनों के नैनोमेडिसिन में अनुप्रयोग हो सकते हैं। उदाहरण के लिए,[7] इनका उपयोग कैंसर कोशिकाओं की पहचान करने और उन्हें नष्ट करने के लिए किया जा सकता है। आणविक नैनोप्रौद्योगिकी नैनोप्रौद्योगिकी का एक काल्पनिक उपक्षेत्र है जो आणविक असेंबलर (molecular assemblers) को इंजीनियर करने की संभावना से संबंधित है, जो ऐसी जैविक मशीनें हैं जो पदार्थ को आणविक या परमाणु स्तर पर पुनर्व्यवस्थित कर सकती हैं। नैनोमेडिसिन शरीर में प्रवेश कराए गए इन नैनोरॉबोट्स का उपयोग क्षति और संक्रमणों की मरम्मत या पता लगाने के लिए करेगा। आणविक नैनोप्रौद्योगिकी अत्यधिक सैद्धांतिक है, जो यह अनुमान लगाने का प्रयास करती है कि नैनोप्रौद्योगिकी क्या आविष्कार ला सकती है और भविष्य की जांच के लिए एक एजेंडा प्रस्तावित करती है। आणविक नैनोप्रौद्योगिकी के प्रस्तावित तत्व, जैसे कि आणविक असेंबलर और नैनोरॉबोट्स, वर्तमान क्षमताओं से बहुत दूर हैं।

प्रोटीन फोल्डिंग

মূল নিবন্ধ: Protein folding

द्वितीयक, तृतीयक और चतुर्थक प्रोटीन संरचना की भविष्यवाणी करने के लिए घटक अमीनो-एसिड का विश्लेषण किया जा सकता है।

प्रोटीन फोल्डिंग वह भौतिक प्रक्रिया है जिसके द्वारा एक प्रोटीन श्रृंखला अपनी नेटिव त्रि-आयामी संरचना प्राप्त करती है, एक ऐसा कॉन्फ़िगरेशन जो आमतौर पर जैविक रूप से कार्यात्मक होता है, और यह प्रक्रिया त्वरित और प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य (reproducible) तरीके से होती है। यह वह भौतिक प्रक्रिया है जिसके द्वारा एक पॉलीपेप्टाइड एक रैंडम कॉइल से अपनी विशिष्ट और कार्यात्मक त्रि-आयामी संरचना में मुड़ता है।[8] प्रत्येक प्रोटीन mRNA के अनुक्रम से अमीनो एसिड की एक रैखिक श्रृंखला में अनुवादित होने पर एक अनफोल्डेड पॉलीपेप्टाइड या रैंडम कॉइल के रूप में मौजूद होता है। इस पॉलीपेप्टाइड में कोई स्थिर (दीर्घकालिक) त्रि-आयामी संरचना नहीं होती है (पहली आकृति का बायां भाग)। जैसे-जैसे पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला को एक राइबोसोम द्वारा संश्लेषित किया जाता है, रैखिक श्रृंखला अपनी त्रि-आयामी संरचना में मुड़ना शुरू कर देती है। फोल्डिंग पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला के अनुवाद के दौरान ही शुरू हो जाती है। अमीनो एसिड एक अच्छी तरह से परिभाषित त्रि-आयामी संरचना का उत्पादन करने के लिए एक-दूसरे के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, जिसे फोल्डेड प्रोटीन (आकृति का दाहिना भाग) कहा जाता है, जिसे नेटिव स्टेट के रूप में जाना जाता है। परिणामी त्रि-आयामी संरचना अमीनो एसिड अनुक्रम या प्राथमिक संरचना (एनफिनसेन के सिद्धांत) द्वारा निर्धारित की जाती है।

प्रोटीन संरचना निर्धारण

মূল নিবন্ধ: Structural biology चूंकि प्रोटीन की त्रि-आयामी संरचना अपने साथ इसके कार्य और जैविक संदर्भ की समझ लाती है, इसलिए प्रोटीन की संरचनाओं का अवलोकन करने में बहुत प्रयास किया जाता है। 20वीं सदी में प्रोटीन की क्रिस्टलीय रूप में संरचनाओं को हल करने के लिए एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी प्राथमिक विधि थी। 2000 के दशक की शुरुआत से, क्रायोजेनिक इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग प्रोटीन की संरचनाओं को उनकी नेटिव स्थिति के करीब हल करने के साथ-साथ सेलुलर संरचनाओं का अवलोकन करने के लिए किया गया है।[9]

प्रोटीन संरचना भविष्यवाणी

মূল নিবন্ধ: Protein structure prediction प्रोटीन संरचना भविष्यवाणी, प्रोटीन के अमीनो एसिड अनुक्रम से उसकी त्रि-आयामी संरचना का अनुमान लगाना है—अर्थात, उसकी फोल्डिंग और उसकी प्रोटीन द्वितीयक संरचना तथा प्रोटीन तृतीयक संरचना की उसकी प्राथमिक संरचना से भविष्यवाणी करना। संरचना भविष्यवाणी प्रोटीन डिजाइन की व्युत्क्रम समस्या से मौलिक रूप से भिन्न है। प्रोटीन संरचना भविष्यवाणी जैव सूचना विज्ञान और सैद्धांतिक रसायन विज्ञान द्वारा अपनाए गए सबसे महत्वपूर्ण लक्ष्यों में से एक है; यह चिकित्सा, दवा डिजाइन, जैव प्रौद्योगिकी और नए एंजाइमों के डिजाइन में अत्यधिक महत्वपूर्ण है। हर दो साल में, वर्तमान विधियों के प्रदर्शन का मूल्यांकन CASP प्रयोग (प्रोटीन संरचना भविष्यवाणी के लिए तकनीकों का महत्वपूर्ण मूल्यांकन) में किया जाता है। प्रोटीन संरचना भविष्यवाणी वेब सर्वर का निरंतर मूल्यांकन सामुदायिक परियोजना CAMEO3D द्वारा किया जाता है।

प्रोटीन संरचनाओं की भविष्यवाणी करने में चुनौती यह है कि इसमें एक भौतिक मॉडल की कमी है जो अमीनो एसिड अनुक्रम से प्रोटीन तृतीयक संरचनाओं की पूरी तरह से भविष्यवाणी कर सके। इस समस्या को डी नोवो प्रोटीन संरचना भविष्यवाणी समस्या के रूप में जाना जाता है और यह आधुनिक विज्ञान की महान समस्याओं में से एक है।[10] AlphaFold, एक कृत्रिम बुद्धिमत्ता प्रोग्राम, उन प्रोटीनों की संरचनाओं की सटीक भविष्यवाणी करने में सक्षम है जिनमें अन्य प्रोटीनों के साथ आनुवंशिक समरूपता है जिन्हें पहले हल किया जा चुका है। हालाँकि, यह डी नोवो समस्या का समाधान नहीं है, क्योंकि यह पूर्व डेटा के एक डेटाबेस पर निर्भर करता है जिसके परिणामस्वरूप यह हमेशा पक्षपाती (biased) होता है। डी नोवो प्रोटीन संरचना भविष्यवाणी समस्या का समाधान एक विशुद्ध रूप से भौतिक मॉडल होना चाहिए जो प्रोटीन को उसके नेटिव वातावरण में फोल्डिंग का अनुकरण करेगा, जिसके परिणामस्वरूप प्रोटीन संरचनाओं और गतिशीलता का इन सिलिको अवलोकन होगा जो पहले कभी नहीं देखा गया था।

स्पेक्ट्रोस्कोपी

মূল নিবন্ধ: Spectroscopy NMR, स्पिन लेबल इलेक्ट्रॉन स्पिन रेजोनेंस, रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी, इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी, सर्कुलर डाइक्रोइज्म, आदि जैसी स्पेक्ट्रोस्कोपिक तकनीकों का व्यापक रूप से महत्वपूर्ण जैव अणुओं और अंतर-आणविक अंतःक्रियाओं की संरचनात्मक गतिशीलता को समझने के लिए उपयोग किया गया है।

इन्हें भी देखें

संदर्भ

  1. ↑ The goal of Molecular Biophysics. Program in Molecular Biophysics.
  2. ↑ (2012). "Rise and demise of bioinformatics? Promise and progress". PLOS Computational Biology. 8 (4). doi:10.1371/journal.pcbi.1002487.
  3. ↑ (April 2006). "Membrane biophysics". Current Biology. 16 (8) R272–R276. doi:10.1016/j.cub.2006.03.050.
  4. ↑ (June 2008). "Structure and function of mammalian cilia". Histochemistry and Cell Biology. 129 (6) 687–693. doi:10.1007/s00418-008-0416-9.
  5. ↑ (2004). "Mechanical processes in biochemistry". Annual Review of Biochemistry. 73 (1) 705–748. doi:10.1146/annurev.biochem.72.121801.161542.
  6. ↑ (December 1959). There's Plenty of Room at the Bottom.
  7. ↑ (2010). "Targeted optimization of a protein nanomachine for operation in biohybrid devices". Angewandte Chemie. 49 (2) 312–316. doi:10.1002/ange.200905200.
  8. ↑ (2002). Molecular Biology of the Cell; Fourth Edition. Garland Science. ISBN 978-0-8153-3218-3.
  9. ↑ (July 2015). "Structural Biology: A Century-long Journey into an Unseen World". Interdisciplinary Science Reviews. 40 (3) 308–328. doi:10.1179/0308018815Z.000000000120.
  10. ↑ (2005-07-01). So Much More to Know. Science. 309 (5731) 78–102. doi:10.1126/science.309.5731.78b.

स्रोत: अंग्रेज़ी विकिपीडिया के “Molecular biophysics” लेख का अनुवाद। मूल लेख: https://en.wikipedia.org/wiki/Molecular_biophysics यह अनुवाद स्वचालित रूप से तैयार किया गया है।

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