आणविक जीवविज्ञान का इतिहास

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आणविक जीवविज्ञान का इतिहास (history of molecular biology) 1930 के दशक में विभिन्न, पहले से अलग जैविक और भौतिक विषयों के अभिसरण के साथ शुरू होता है: जैव रसायन (biochemistry), आनुवंशिकी (genetics), सूक्ष्मजीव विज्ञान (microbiology), विषाणु विज्ञान (virology) और भौतिकी (physics)। जीवन को उसके सबसे मौलिक स्तर पर समझने की आशा के साथ, कई भौतिकविदों और रसायनज्ञों ने भी उस क्षेत्र में रुचि ली जो आगे चलकर आणविक जीवविज्ञान (molecular biology) बना।

अपने आधुनिक अर्थ में, आणविक जीवविज्ञान जीवन की घटनाओं को उन बृहदण्विक (macromolecular) गुणों से समझाना चाहता है जो उन्हें उत्पन्न करते हैं। विशेष रूप से बृहदणुओं की दो श्रेणियां आणविक जीवविज्ञानी का केंद्र हैं: 1) न्यूक्लिक एसिड (nucleic acids), जिनमें सबसे प्रसिद्ध डीऑक्सीराइबोन्यूक्लिक एसिड (या DNA) है, जो जीन का घटक है, और 2) प्रोटीन, जो जीवित जीवों के सक्रिय एजेंट हैं। इसलिए आणविक जीवविज्ञान के दायरे की एक परिभाषा इन दो प्रकार के बृहदणुओं की संरचना, कार्य और उनके बीच के संबंधों को चित्रित करना है। यह अपेक्षाकृत सीमित परिभाषा तथाकथित "आणविक क्रांति" के लिए एक तिथि के अनुमान की अनुमति देती है, या कम से कम इसके सबसे मौलिक विकासों का कालक्रम स्थापित करने में मदद करती है।

सामान्य अवलोकन

अपनी शुरुआती अभिव्यक्तियों में, आणविक जीवविज्ञान—यह नाम 1938 में रॉकफेलर फाउंडेशन के वॉरेन वीवर द्वारा गढ़ा गया था[1]—जीवन की भौतिक और रासायनिक व्याख्याओं का एक विचार था, न कि कोई सुसंगत अनुशासन। 1910 के दशक में मेंडेलियन-गुणसूत्र आनुवंशिकता सिद्धांत के आगमन और 1920 के दशक में परमाणु सिद्धांत और क्वांटम यांत्रिकी की परिपक्वता के बाद, ऐसी व्याख्याएं पहुंच के भीतर लगने लगीं। वीवर और अन्य लोगों ने जीव विज्ञान, रसायन विज्ञान और भौतिकी के चौराहे पर अनुसंधान को प्रोत्साहित (और वित्त पोषित) किया, जबकि नील्स बोहर और इरविन श्रोडिंगर जैसे प्रमुख भौतिकविदों ने अपना ध्यान जैविक अटकलों की ओर मोड़ दिया। विशेष रूप से श्रोडिंगर की 1944 की पुस्तक व्हाट इज लाइफ? ने कई लोगों को उभरते हुए क्षेत्र में प्रवेश करने के लिए प्रेरित किया, जिसमें जेम्स वॉटसन को DNA अनुसंधान की ओर निर्देशित करना भी शामिल था।29 हालाँकि, 1930 और 1940 के दशक में यह स्पष्ट नहीं था कि कौन सा—यदि कोई—अंतःविषय अनुसंधान सफल होगा; कोलाइड रसायन विज्ञान, जैव भौतिकी और विकिरण जीवविज्ञान, क्रिस्टलोग्राफी, और अन्य उभरते क्षेत्रों में काम सभी आशाजनक लग रहे थे।

1940 में, जॉर्ज बीडल और एडवर्ड टैटम ने जीन और प्रोटीन के बीच एक सटीक संबंध के अस्तित्व का प्रदर्शन किया।[2] आनुवंशिकी को जैव रसायन के साथ जोड़ने वाले अपने प्रयोगों के दौरान, उन्होंने आनुवंशिकी के मुख्य आधार ड्रोसोफिला से एक अधिक उपयुक्त मॉडल जीव, कवक न्यूरोस्पोरा पर स्विच किया; नए मॉडल जीवों का निर्माण और शोषण आणविक जीवविज्ञान के विकास में एक आवर्ती विषय बन गया। 1944 में, रॉकफेलर इंस्टीट्यूट ऑफ न्यूयॉर्क में काम कर रहे ओसवाल्ड एवरी ने प्रदर्शित किया कि जीन DNA से बने होते हैं (देखें एवरी-मैकलियोड-मैककार्टी प्रयोग)। 1952 में, अल्फ्रेड हर्षे और मार्था चेस ने पुष्टि की कि बैक्टीरियोफेज (जीवाणुओं को संक्रमित करने वाला वायरस) का आनुवंशिक पदार्थ DNA से बना है (देखें हर्षे-चेस प्रयोग)। 1953 में, जेम्स वॉटसन और फ्रांसिस क्रिक ने रोज़ालिंड फ्रैंकलिन द्वारा की गई खोजों के आधार पर DNA अणु की दोहरी हेलिकल संरचना की खोज के बारे में एक शोध पत्र प्रकाशित किया। 1961 में, फ्रांस्वा जैकब और जैक्स मोनोड ने प्रदर्शित किया कि कुछ जीन के उत्पाद उन जीन के किनारे पर विशिष्ट साइटों पर कार्य करके अन्य जीन की अभिव्यक्ति को नियंत्रित करते हैं। उन्होंने DNA और उसके प्रोटीन उत्पादों के बीच एक मध्यस्थ के अस्तित्व की भी परिकल्पना की, जिसे उन्होंने मैसेंजर RNA कहा। 1961 और 1965 के बीच, DNA में निहित जानकारी और प्रोटीन की संरचना के बीच संबंध निर्धारित किया गया: एक कोड है, आनुवंशिक कोड (genetic code), जो DNA अनुक्रम में न्यूक्लियोटाइड के उत्तराधिकार और प्रोटीन में अमीनो एसिड की एक श्रृंखला के बीच पत्राचार बनाता है।

अप्रैल 2023 में, वैज्ञानिकों ने नए सबूतों के आधार पर निष्कर्ष निकाला कि रोज़ालिंड फ्रैंकलिन DNA की खोज प्रक्रिया में एक योगदानकर्ता और "समान भागीदार" थीं, न कि इसके विपरीत, जैसा कि खोज के समय के बाद प्रस्तुत किया गया हो सकता है।[3]

आणविक जीवविज्ञान की मुख्य खोजें केवल पच्चीस वर्षों की अवधि में हुईं। नई और अधिक परिष्कृत तकनीकों के लिए पंद्रह और वर्षों की आवश्यकता थी, जो आज आनुवंशिक इंजीनियरिंग (genetic engineering) के नाम से जानी जाती हैं, जो जीन के अलगाव और लक्षण वर्णन की अनुमति देती हैं, विशेष रूप से अत्यधिक जटिल जीवों के।

आणविक प्रभुत्व की खोज

यदि हम जैविक इतिहास के संदर्भ में आणविक क्रांति का मूल्यांकन करते हैं, तो यह ध्यान देना आसान है कि यह एक लंबी प्रक्रिया की परिणति है जो सूक्ष्मदर्शी के माध्यम से किए गए पहले अवलोकनों के साथ शुरू हुई थी। इन शुरुआती शोधकर्ताओं का उद्देश्य सूक्ष्म स्तर पर उनके संगठन का वर्णन करके जीवित जीवों के कामकाज को समझना था। 18वीं शताब्दी के अंत से, जीवित प्राणियों को बनाने वाले रासायनिक अणुओं के लक्षण वर्णन पर ध्यान बढ़ता गया, साथ ही 19वीं शताब्दी में शारीरिक रसायन विज्ञान (physiological chemistry) का जन्म हुआ, जिसे जर्मन रसायनज्ञ जस्टस वॉन लीबिग द्वारा विकसित किया गया और 20वीं शताब्दी की शुरुआत में जैव रसायन का जन्म हुआ, जिसका श्रेय एक अन्य जर्मन रसायनज्ञ एडुआर्ड बुचनर को जाता है। रसायनज्ञों द्वारा अध्ययन किए गए अणुओं और ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के तहत दिखाई देने वाली छोटी संरचनाओं, जैसे कि कोशिकीय नाभिक या गुणसूत्रों के बीच, एक अस्पष्ट क्षेत्र था, "अनदेखे आयामों की दुनिया," जैसा कि इसे रासायनिक-भौतिक विज्ञानी वोल्फगैंग ओस्टवाल्ड द्वारा कहा गया था। यह दुनिया कोलाइड्स से भरी है, ऐसे रासायनिक यौगिक जिनकी संरचना और गुण अच्छी तरह से परिभाषित नहीं थे।

आणविक जीवविज्ञान की सफलताएं रसायनज्ञों और भौतिकविदों द्वारा विकसित नई तकनीकों के माध्यम से उस अज्ञात दुनिया की खोज से प्राप्त हुईं: एक्स-रे विवर्तन, इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी, अल्ट्रासेंट्रिफ्यूजेशन, और इलेक्ट्रोफोरेसिस। इन अध्ययनों ने बृहदणुओं की संरचना और कार्य का खुलासा किया।

उस प्रक्रिया में एक मील का पत्थर 1949 में लाइनस पॉलिंग का काम था, जिसने पहली बार सिकल सेल रोग के रोगियों में विशिष्ट आनुवंशिक उत्परिवर्तन (mutation) को एक व्यक्तिगत प्रोटीन, विषमयुग्मजी (heterozygous) या समयुग्मजी (homozygous) व्यक्तियों के एरिथ्रोसाइट्स में हीमोग्लोबिन में प्रदर्शित परिवर्तन से जोड़ा।

जैव रसायन और आनुवंशिकी के बीच मुठभेड़

आणविक जीवविज्ञान का विकास उन दो विषयों की मुठभेड़ भी है जिन्होंने बीसवीं सदी के पहले तीस वर्षों के दौरान काफी प्रगति की: जैव रसायन और आनुवंशिकी। पहला जीवित चीजों को बनाने वाले अणुओं की संरचना और कार्य का अध्ययन करता है। 1900 और 1940 के बीच, चयापचय (metabolism) की केंद्रीय प्रक्रियाओं का वर्णन किया गया: पाचन की प्रक्रिया और पोषण से प्राप्त पोषक तत्वों का अवशोषण, जैसे कि शर्करा। इनमें से प्रत्येक प्रक्रिया एक विशेष एंजाइम द्वारा उत्प्रेरित (catalyzed) होती है। एंजाइम प्रोटीन होते हैं, जैसे रक्त में मौजूद एंटीबॉडी या मांसपेशियों के संकुचन के लिए जिम्मेदार प्रोटीन। परिणामस्वरूप, प्रोटीन का अध्ययन, उनकी संरचना और संश्लेषण, जैव रसायनज्ञों के मुख्य उद्देश्यों में से एक बन गया।

जीव विज्ञान का दूसरा अनुशासन जो 20वीं सदी की शुरुआत में विकसित हुआ, वह आनुवंशिकी है। 1900 में ह्यूगो डी व्रीस, कार्ल कोरेंस और एरिच वॉन शेरमैक के अध्ययनों के माध्यम से ग्रेगर मेंडल के नियमों की पुनर्खोज के बाद, यह विज्ञान थॉमस हंट मॉर्गन द्वारा 1910 में आनुवंशिक अध्ययनों के लिए एक मॉडल जीव, प्रसिद्ध फल मक्खी (ड्रोसोफिला मेलानोगास्टर) को अपनाने के कारण आकार लेने लगा। इसके तुरंत बाद, मॉर्गन ने दिखाया कि जीन गुणसूत्रों पर स्थित होते हैं। इस खोज के बाद, उन्होंने ड्रोसोफिला के साथ काम करना जारी रखा और, कई अन्य शोध समूहों के साथ, जीवों के जीवन और विकास में जीन के महत्व की पुष्टि की। फिर भी, जीन की रासायनिक प्रकृति और उनके कार्य करने के तंत्र एक रहस्य बने रहे। आणविक जीवविज्ञानी जीन और प्रोटीन के बीच संरचना के निर्धारण और जटिल संबंधों के विवरण के लिए प्रतिबद्ध थे।

आणविक जीव विज्ञान का विकास विचारों के इतिहास में किसी प्रकार की आंतरिक "आवश्यकता" का फल नहीं था, बल्कि यह एक विशिष्ट ऐतिहासिक घटना थी, जिसमें सभी अज्ञात, अनिश्चित और आकस्मिक कारक शामिल थे: 20वीं सदी की शुरुआत में भौतिकी में हुए उल्लेखनीय विकास ने जीव विज्ञान के विकास में सापेक्ष देरी को उजागर किया, जो अनुभवजन्य दुनिया के बारे में ज्ञान की खोज में "नई सीमा" बन गया। इसके अलावा, 1940 के दशक में सैन्य आवश्यकताओं के जवाब में सूचना के सिद्धांत और साइबरनेटिक्स के विकास ने नए जीव विज्ञान में बड़ी संख्या में उर्वर विचार और विशेष रूप से रूपक प्रदान किए।

जीवन के मूलभूत तंत्रों के अध्ययन के लिए बैक्टीरिया और उसके वायरस, बैक्टीरियोफेज, को मॉडल के रूप में चुनना लगभग स्वाभाविक था—वे ज्ञात सबसे छोटे जीवित जीव हैं—और साथ ही यह व्यक्तिगत विकल्पों का परिणाम भी था। इस मॉडल की सफलता का श्रेय मुख्य रूप से एक जर्मन भौतिक विज्ञानी मैक्स डेलब्रुक की प्रसिद्धि और उनके संगठन कौशल को जाता है, जो संयुक्त राज्य अमेरिका में स्थित एक गतिशील अनुसंधान समूह बनाने में सक्षम थे, जिसका कार्यक्षेत्र बैक्टीरियोफेज का अध्ययन था: फेज ग्रुप।[4]

फेज ग्रुप जीवविज्ञानियों का एक अनौपचारिक नेटवर्क था जिसने मुख्य रूप से बैक्टीरियोफेज T4 पर बुनियादी शोध किया और 20वीं सदी के मध्य में सूक्ष्मजीव आनुवंशिकी और आणविक जीव विज्ञान की उत्पत्ति में कई महत्वपूर्ण योगदान दिए। 1961 में, फेज ग्रुप के एक प्रारंभिक सदस्य सिडनी ब्रेनर ने कैम्ब्रिज की कैवेंडिश प्रयोगशाला में फ्रांसिस क्रिक, लेस्ली बार्नेट और रिचर्ड वॉट्स-टोबिन के साथ मिलकर आनुवंशिक प्रयोग किए, जिन्होंने प्रोटीन के लिए आनुवंशिक कोड की मूल प्रकृति का प्रदर्शन किया।[5] बैक्टीरियोफेज T4 के rIIB जीन के उत्परिवर्ती (mutants) के साथ किए गए इन प्रयोगों ने दिखाया कि प्रोटीन को एनकोड करने वाले जीन के लिए, जीन के DNA के तीन क्रमिक क्षार (bases) प्रोटीन के प्रत्येक क्रमिक अमीनो एसिड को निर्दिष्ट करते हैं। इस प्रकार आनुवंशिक कोड एक ट्रिपलेट कोड है, जहाँ प्रत्येक ट्रिपलेट (जिसे कोडोन कहा जाता है) एक विशिष्ट अमीनो एसिड को निर्दिष्ट करता है। उन्होंने यह भी पाया कि प्रोटीन को एनकोड करने वाले DNA अनुक्रम में कोडोन एक-दूसरे के साथ ओवरलैप नहीं करते हैं, और इस तरह के अनुक्रम को एक निश्चित शुरुआती बिंदु से पढ़ा जाता है।

1962-1964 के दौरान, फेज T4 शोधकर्ताओं ने प्रयोगशाला स्थितियों के तहत बैक्टीरियोफेज के विकास के लिए आवश्यक लगभग सभी जीनों के कार्य का अध्ययन करने का अवसर प्रदान किया। इन अध्ययनों को सशर्त घातक उत्परिवर्ती (conditional lethal mutants) के दो वर्गों की खोज से सुगम बनाया गया था। ऐसे उत्परिवर्तियों के एक वर्ग को एम्बर उत्परिवर्ती के रूप में जाना जाता है। सशर्त घातक उत्परिवर्तियों के दूसरे वर्ग को तापमान-संवेदनशील उत्परिवर्ती कहा जाता है। इन दो वर्गों के उत्परिवर्तियों के अध्ययन से कई मूलभूत जैविक समस्याओं के बारे में काफी अंतर्दृष्टि प्राप्त हुई। इस प्रकार DNA प्रतिकृति, DNA मरम्मत और DNA पुनर्संयोजन की मशीनरी में नियोजित प्रोटीन के कार्यों और अंतःक्रियाओं पर समझ हासिल हुई। इसके अलावा, उन प्रक्रियाओं पर समझ हासिल हुई जिनके द्वारा वायरस प्रोटीन और न्यूक्लिक एसिड घटकों (आणविक मॉर्फोजेनेसिस) से इकट्ठे होते हैं। साथ ही, चेन टर्मिनेटिंग कोडोन की भूमिका को भी स्पष्ट किया गया। एक उल्लेखनीय अध्ययन में बैक्टीरियोफेज T4 के प्रमुख हेड प्रोटीन को एनकोड करने वाले जीन में दोषपूर्ण एम्बर उत्परिवर्तियों का उपयोग किया गया। इस प्रयोग ने व्यापक रूप से माने जाने वाले, लेकिन 1964 से पहले अप्रमाणित, "अनुक्रम परिकल्पना" के लिए मजबूत सबूत प्रदान किए कि एक प्रोटीन का अमीनो एसिड अनुक्रम प्रोटीन को निर्धारित करने वाले जीन के न्यूक्लियोटाइड अनुक्रम द्वारा निर्दिष्ट होता है। इस प्रकार, इस अध्ययन ने अपने एनकोडेड प्रोटीन के साथ जीन की सह-रेखीयता (co-linearity) का प्रदर्शन किया।

नए जीव विज्ञान के विकास का भौगोलिक परिदृश्य सबसे ऊपर पूर्ववर्ती कार्यों द्वारा वातानुकूलित था। अमेरिका, जहाँ आनुवंशिकी का सबसे तेजी से विकास हुआ था, और यूके, जहाँ आनुवंशिकी और जैव रासायनिक अनुसंधान दोनों का उच्च स्तर पर सह-अस्तित्व था, अग्रणी स्थिति में थे। जर्मनी, भौतिकी में क्रांतियों का पालना, दुनिया के सर्वश्रेष्ठ दिमागों और आनुवंशिकी की सबसे उन्नत प्रयोगशालाओं के साथ, आणविक जीव विज्ञान के विकास में एक प्राथमिक भूमिका निभा सकता था। लेकिन इतिहास ने अलग फैसला किया: 1933 में नाजियों का आगमन—और, कम हद तक, फासीवादी इटली में अधिनायकवादी उपायों का सख्त होना—बड़ी संख्या में यहूदी और गैर-यहूदी वैज्ञानिकों के प्रवास का कारण बना। उनमें से अधिकांश अमेरिका या यूके भाग गए, जिससे उन देशों की वैज्ञानिक गतिशीलता को अतिरिक्त प्रोत्साहन मिला। इन आंदोलनों ने अंततः आणविक जीव विज्ञान को शुरुआत से ही एक वास्तविक अंतरराष्ट्रीय विज्ञान बना दिया।

DNA जैव रसायन का इतिहास

DNA की संरचना

DNA का अध्ययन आणविक जीव विज्ञान का एक केंद्रीय हिस्सा है।

DNA का प्रथम पृथक्करण

19वीं सदी में काम करते हुए, जैव रसायनज्ञों ने शुरू में कोशिका नाभिक से DNA और RNA (मिश्रित रूप में) को अलग किया। वे अपने "न्यूक्लिक एसिड" आइसोलेट्स की बहुलक प्रकृति को समझने में अपेक्षाकृत त्वरित थे, लेकिन बाद में ही उन्हें एहसास हुआ कि न्यूक्लियोटाइड दो प्रकार के होते हैं—एक जिसमें राइबोज होता है और दूसरा जिसमें डीऑक्सीराइबोज होता है। यह बाद की खोज ही थी जिसके कारण DNA की पहचान और नामकरण RNA से अलग पदार्थ के रूप में हुआ।

फ्रेडरिक मिशर (1844–1895) ने 1869 में एक पदार्थ की खोज की जिसे उन्होंने "न्यूक्लिन" कहा। कुछ समय बाद, उन्होंने सैल्मन के शुक्राणु से उस सामग्री का एक शुद्ध नमूना अलग किया जिसे अब DNA के रूप में जाना जाता है, और 1889 में उनके शिष्य, रिचर्ड ऑल्टमैन ने इसे "न्यूक्लिक एसिड" नाम दिया। यह पदार्थ केवल गुणसूत्रों (chromosomes) में पाया गया।

1919 में रॉकफेलर इंस्टीट्यूट के फोबस लेवेन ने घटकों (चार क्षार, शर्करा और फॉस्फेट श्रृंखला) की पहचान की और उन्होंने दिखाया कि DNA के घटक फॉस्फेट-शर्करा-क्षार के क्रम में जुड़े हुए थे। उन्होंने इनमें से प्रत्येक इकाई को एक न्यूक्लियोटाइड कहा और सुझाव दिया कि DNA अणु फॉस्फेट समूहों के माध्यम से जुड़ी न्यूक्लियोटाइड इकाइयों की एक श्रृंखला से बना है, जो अणु की 'रीढ़' हैं। हालाँकि लेवेन ने सोचा कि श्रृंखला छोटी थी और क्षार एक ही निश्चित क्रम में दोहराए जाते थे। टोरबजॉर्न कैस्परसन और आइनार हैमरस्टेन ने दिखाया कि DNA एक बहुलक (polymer) था।

गुणसूत्र और विरासत में मिले लक्षण

1927 में, निकोलाई कोल्टसोव ने प्रस्तावित किया कि विरासत में मिले लक्षण एक "विशाल आनुवंशिक अणु" के माध्यम से विरासत में मिलेंगे जो "दो दर्पण स्ट्रैंड से बना होगा जो प्रत्येक स्ट्रैंड को एक टेम्पलेट के रूप में उपयोग करके अर्ध-रूढ़िवादी तरीके से प्रतिकृति करेगा"।[6] मैक्स डेलब्रुक, निकोले टिमोफीव-रेसोव्स्की और कार्ल जी. जिमर ने 1935 में परिणाम प्रकाशित किए, जिसमें सुझाव दिया गया कि गुणसूत्र बहुत बड़े अणु होते हैं जिनकी संरचना को एक्स-रे के साथ उपचार द्वारा बदला जा सकता है, और उनकी संरचना को बदलकर उन गुणसूत्रों द्वारा शासित वंशानुगत विशेषताओं को बदलना संभव था। 1937 में विलियम एस्टबरी ने DNA से पहले एक्स-रे विवर्तन पैटर्न का उत्पादन किया। वह सही संरचना का प्रस्ताव करने में सक्षम नहीं थे, लेकिन पैटर्न ने दिखाया कि DNA की एक नियमित संरचना थी और इसलिए यह अनुमान लगाना संभव हो सकता है कि यह संरचना क्या थी।

1943 में, ओसवाल्ड थियोडोर एवरी और वैज्ञानिकों की एक टीम ने खोज की कि न्यूमोकोकस के "चिकने" (smooth) रूप के उचित लक्षणों को केवल मृत "चिकने" (S) रूप को जीवित "खुरदरे" (R) रूप के लिए उपलब्ध कराकर उसी बैक्टीरिया के "खुरदरे" रूप में स्थानांतरित किया जा सकता है। काफी अप्रत्याशित रूप से, जीवित R न्यूमोकोकस बैक्टीरिया S रूप के एक नए तनाव में बदल गए, और स्थानांतरित S विशेषताएं वंशानुगत निकलीं। एवरी ने लक्षणों के स्थानांतरण के माध्यम को रूपांतरण सिद्धांत (transforming principle) कहा; उन्होंने DNA को रूपांतरण सिद्धांत के रूप में पहचाना, न कि प्रोटीन को जैसा कि पहले सोचा गया था। उन्होंने अनिवार्य रूप से फ्रेडरिक ग्रिफिथ के प्रयोग को दोहराया। 1953 में, अल्फ्रेड हर्शे और मार्था चेस ने एक प्रयोग (हर्शे-चेस प्रयोग) किया जिसने दिखाया कि T2 फेज में, DNA ही आनुवंशिक सामग्री है (हर्शे ने लुरिया के साथ नोबेल पुरस्कार साझा किया)।

DNA संरचना की खोज

1950 के दशक में, तीन समूहों ने DNA की संरचना निर्धारित करने को अपना लक्ष्य बनाया। सबसे पहले शुरू करने वाला समूह किंग्स कॉलेज लंदन में था, जिसका नेतृत्व मौरिस विल्किंस कर रहे थे और बाद में इसमें रोज़ालिंड फ्रैंकलिन शामिल हुईं। फ्रांसिस क्रिक और जेम्स वॉटसन का एक अन्य समूह कैम्ब्रिज में था। तीसरा समूह कैलटेक में था, जिसका नेतृत्व लाइनस पॉलिंग कर रहे थे। क्रिक और वॉटसन ने धातु की छड़ों और गेंदों का उपयोग करके भौतिक मॉडल बनाए, जिसमें उन्होंने न्यूक्लियोटाइड्स की ज्ञात रासायनिक संरचनाओं के साथ-साथ बहुलक (पॉलिमर) के साथ एक न्यूक्लियोटाइड को दूसरे से जोड़ने वाले लिंकेज की ज्ञात स्थिति को शामिल किया। किंग्स कॉलेज में मौरिस विल्किंस और रोज़ालिंड फ्रैंकलिन ने DNA तंतुओं के एक्स-रे विवर्तन (X-ray diffraction) पैटर्न की जांच की। तीनों समूहों में से, केवल लंदन का समूह ही अच्छी गुणवत्ता वाले विवर्तन पैटर्न तैयार करने में सक्षम था और इस प्रकार संरचना के बारे में पर्याप्त मात्रात्मक डेटा प्राप्त कर सका।

हेलिक्स (कुंडलिनी) संरचना

1948 में, पॉलिंग ने खोजा कि कई प्रोटीनों में हेलिकल (देखें अल्फा हेलिक्स) आकार शामिल होते हैं। पॉलिंग ने इस संरचना का अनुमान एक्स-रे पैटर्न और संरचनाओं को भौतिक रूप से मॉडल करने के प्रयासों से लगाया था। (पॉलिंग ने बाद में एस्टबरी के डेटा के आधार पर एक गलत तीन-श्रृंखला वाली हेलिकल DNA संरचना का भी सुझाव दिया था।) मौरिस विल्किंस द्वारा DNA के प्रारंभिक विवर्तन डेटा में भी यह स्पष्ट था कि संरचना में हेलिक्स शामिल थे। लेकिन यह अंतर्दृष्टि केवल एक शुरुआत थी। अभी भी यह प्रश्न बने हुए थे कि कितनी श्रृंखलाएं एक साथ आती हैं, क्या यह संख्या हर हेलिक्स के लिए समान थी, क्या क्षार (बेसेस) हेलिकल अक्ष की ओर इशारा करते थे या उससे दूर, और अंततः सभी बंधनों और परमाणुओं के स्पष्ट कोण और निर्देशांक क्या थे। ऐसे प्रश्नों ने वॉटसन और क्रिक के मॉडलिंग प्रयासों को प्रेरित किया।

पूरक न्यूक्लियोटाइड्स

अपनी मॉडलिंग में, वॉटसन और क्रिक ने खुद को उन चीजों तक सीमित रखा जिन्हें वे रासायनिक और जैविक रूप से उचित मानते थे। फिर भी, संभावनाओं का दायरा बहुत व्यापक था। 1952 में एक सफलता मिली, जब इरविन चारगाफ ने कैम्ब्रिज का दौरा किया और क्रिक को उन प्रयोगों के विवरण से प्रेरित किया जिन्हें चारगाफ ने 1947 में प्रकाशित किया था। चारगाफ ने देखा था कि चार न्यूक्लियोटाइड्स का अनुपात एक DNA नमूने से दूसरे में भिन्न होता है, लेकिन न्यूक्लियोटाइड्स के विशेष जोड़ों—एडेनिन और थाइमिन, गुआनिन और साइटोसिन—के लिए दोनों न्यूक्लियोटाइड्स हमेशा समान अनुपात में मौजूद होते हैं।

एक्स-रे विवर्तन के साथ-साथ रोज़ालिंड फ्रैंकलिन से प्राप्त अन्य डेटा और उनकी इस जानकारी का उपयोग करते हुए कि क्षार युग्मित थे, जेम्स वॉटसन और फ्रांसिस क्रिक 1953 में DNA की आणविक संरचना के पहले सटीक मॉडल पर पहुंचे, जिसे रोज़ालिंड फ्रैंकलिन द्वारा निरीक्षण के माध्यम से स्वीकार किया गया था। उन्होंने इरविन चारगाफ के नियमों का उपयोग किया कि एक प्रजाति में, एडेनिन का प्रतिशत थाइमिन के प्रतिशत के बराबर होता है और गुआनिन का प्रतिशत साइटोसिन के प्रतिशत के बराबर होता है। उन्होंने लिखा: "यह हमारी दृष्टि से ओझल नहीं हुआ है कि हमने जिस विशिष्ट युग्मन (पेयरिंग) को प्रतिपादित किया है, वह तुरंत आनुवंशिक सामग्री के लिए एक संभावित प्रतिलिपि तंत्र का सुझाव देता है।"[7] इस खोज की घोषणा 28 फरवरी, 1953 को की गई थी; पहला वॉटसन/क्रिक पेपर 25 अप्रैल, 1953 को नेचर में छपा। सर लॉरेंस ब्रैग, जो कैवेंडिश प्रयोगशाला के निदेशक थे, जहाँ वॉटसन और क्रिक काम करते थे, ने गुरुवार, 14 मई, 1953 को लंदन के गाइज हॉस्पिटल मेडिकल स्कूल में एक भाषण दिया, जिसके परिणामस्वरूप शुक्रवार, 15 मई, 1953 को लंदन के न्यूज क्रॉनिकल में रिची काल्डर का एक लेख छपा, जिसका शीर्षक था "व्हाई यू आर यू. नियरर सीक्रेट ऑफ लाइफ।" यह खबर अगले दिन द न्यूयॉर्क टाइम्स के पाठकों तक पहुँची; विक्टर के. मैकएलहेनी ने अपनी जीवनी "वॉटसन एंड DNA: मेकिंग ए साइंटिफिक रिवोल्यूशन" पर शोध करते हुए, लंदन से लिखे गए और 16 मई, 1953 की तारीख वाले छह-पैराग्राफ के न्यूयॉर्क टाइम्स लेख की एक कतरन पाई, जिसका शीर्षक था "फॉर्म ऑफ 'लाइफ यूनिट' इन सेल इज स्कैन्ड।" यह लेख एक शुरुआती संस्करण में चला और फिर इसे अधिक महत्वपूर्ण मानी जाने वाली खबरों के लिए जगह बनाने हेतु हटा दिया गया। (द न्यूयॉर्क टाइम्स ने बाद में 12 जून, 1953 को एक लंबा लेख प्रकाशित किया)। कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय के स्नातक समाचार पत्र ने भी शनिवार, 30 मई, 1953 को खोज पर अपना एक छोटा लेख प्रकाशित किया। 8 अप्रैल, 1953 को बेल्जियम में प्रोटीनों पर एक सॉल्वे सम्मेलन में ब्रैग की मूल घोषणा को प्रेस द्वारा रिपोर्ट नहीं किया गया था। 1962 में वॉटसन, क्रिक और मौरिस विल्किंस को संयुक्त रूप से DNA की संरचना निर्धारित करने के लिए शरीर विज्ञान या चिकित्सा में नोबेल पुरस्कार मिला।

"सेंट्रल डोग्मा"

वॉटसन और क्रिक के मॉडल ने अपनी प्रस्तुति के तुरंत बाद बहुत रुचि आकर्षित की। 21 फरवरी, 1953 को अपने निष्कर्ष पर पहुँचकर, वॉटसन और क्रिक ने 28 फरवरी को अपनी पहली घोषणा की। 1957 में एक प्रभावशाली प्रस्तुति में, क्रिक ने "आणविक जीव विज्ञान का सेंट्रल डोग्मा" प्रस्तुत किया, जिसने DNA, RNA और प्रोटीनों के बीच संबंध की भविष्यवाणी की, और "अनुक्रम परिकल्पना" (sequence hypothesis) को स्पष्ट किया। द्वि-हेलिकल संरचना द्वारा निहित प्रतिकृति तंत्र की एक महत्वपूर्ण पुष्टि 1958 में मेसेल्सन-स्टाहल प्रयोग के रूप में हुई। ब्रेनर, मेसेल्सन और जैकब द्वारा 1961 में मैसेंजर RNA (mRNA) को DNA अनुक्रमों और प्रोटीन संश्लेषण के बीच एक मध्यवर्ती के रूप में पहचाना गया।[8] फिर, क्रिक और उनके सहयोगियों के काम ने दिखाया कि आनुवंशिक कोड क्षारों के गैर-अतिव्यापी त्रिक (triplets) पर आधारित था, जिन्हें कोडोन कहा जाता है, और हर गोबिंद खुराना और अन्य लोगों ने कुछ समय बाद (1966) आनुवंशिक कोड को समझा। ये निष्कर्ष आणविक जीव विज्ञान के जन्म का प्रतिनिधित्व करते हैं।

RNA तृतीयक संरचना का इतिहास

আরও দেখুন: History of RNA biology

प्रागैतिहासिक काल: RNA की हेलिकल संरचना

RNA संरचनात्मक जीव विज्ञान में सबसे शुरुआती काम, कमोबेश, 1950 के दशक की शुरुआत में DNA पर किए जा रहे काम के साथ ही हुआ। अपने 1953 के मौलिक शोध पत्र में, वॉटसन और क्रिक ने सुझाव दिया कि राइबोज के 2'OH समूह द्वारा वैन डेर वाल्स भीड़भाड़ RNA को उस मॉडल के समान द्वि-हेलिकल संरचना अपनाने से रोकेगी जिसे उन्होंने प्रस्तावित किया था—जिसे हम अब B-फॉर्म DNA के रूप में जानते हैं।[9] इसने RNA की त्रि-आयामी संरचना के बारे में प्रश्न खड़े किए: क्या यह अणु किसी प्रकार की हेलिकल संरचना बना सकता है, और यदि हाँ, तो कैसे? DNA की तरह, RNA पर शुरुआती संरचनात्मक कार्य फाइबर विवर्तन विश्लेषण के लिए देशी RNA पॉलिमर के अलगाव के इर्द-गिर्द केंद्रित था। परीक्षण किए गए नमूनों की विषमता के कारण, शुरुआती फाइबर विवर्तन पैटर्न आमतौर पर अस्पष्ट थे और आसानी से व्याख्या योग्य नहीं थे। 1955 में, मैरिएन ग्रुनबर्ग-मैनागो और उनके सहयोगियों ने पॉलीन्यूक्लियोटाइड फॉस्फोराइलेज एंजाइम का वर्णन करने वाला एक शोध पत्र प्रकाशित किया, जिसने उनके बहुलकीकरण (polymerization) को उत्प्रेरित करने के लिए न्यूक्लियोटाइड डाइफॉस्फेट से एक फॉस्फेट समूह को अलग किया। इस खोज ने शोधकर्ताओं को सजातीय न्यूक्लियोटाइड पॉलिमर को संश्लेषित करने की अनुमति दी, जिसे उन्होंने फिर द्वि-फंसे (double stranded) अणु बनाने के लिए संयोजित किया। इन नमूनों ने अब तक प्राप्त सबसे आसानी से व्याख्या योग्य फाइबर विवर्तन पैटर्न दिए, जो सजातीय, द्वि-फंसे RNA के लिए एक व्यवस्थित, हेलिकल संरचना का सुझाव देते हैं जो DNA में देखे गए पैटर्न से भिन्न थी। इन परिणामों ने RNA के विभिन्न गुणों और प्रवृत्तियों की जांच की एक श्रृंखला के लिए मार्ग प्रशस्त किया। 1950 के दशक के अंत और 1960 के दशक की शुरुआत में, RNA संरचना में विभिन्न विषयों पर कई शोध पत्र प्रकाशित हुए, जिनमें RNA-DNA संकरण, ट्रिपल फंसे RNA, और यहाँ तक कि आदिम हेलिक्स-जैसी व्यवस्थाओं में RNA डाइ-न्यूक्लियोटाइड्स—G-C, और A-U—की छोटे पैमाने की क्रिस्टलोग्राफी शामिल थी। RNA संरचनात्मक जीव विज्ञान में शुरुआती काम की अधिक गहन समीक्षा के लिए, अलेक्जेंडर रिच द्वारा लेख द एरा ऑफ RNA अवेकनिंग: स्ट्रक्चरल बायोलॉजी ऑफ RNA इन द अर्ली इयर्स देखें।

शुरुआत: tRNAPHE की क्रिस्टल संरचना

1960 के दशक के मध्य में, प्रोटीन संश्लेषण में tRNA की भूमिका का गहन अध्ययन किया जा रहा था। इस बिंदु पर, ribosomes (राइबोसोम) को प्रोटीन संश्लेषण में शामिल माना गया था, और यह दिखाया जा चुका था कि इन संरचनाओं के निर्माण के लिए एक mRNA स्ट्रैंड आवश्यक था। 1964 के एक प्रकाशन में, वार्नर और रिच ने दिखाया कि प्रोटीन संश्लेषण में सक्रिय राइबोसोम में A और P साइटों पर बंधे tRNA अणु होते हैं, और इस धारणा पर चर्चा की कि ये अणु peptidyl transferase (पेप्टिडाइल ट्रांसफरेज़) प्रतिक्रिया में सहायता करते हैं।[10] हालाँकि, पर्याप्त जैव रासायनिक लक्षण-वर्णन के बावजूद, tRNA कार्य का संरचनात्मक आधार एक रहस्य बना रहा। 1965 में, होली एट अल. ने पहले tRNA अणु को शुद्ध और अनुक्रमित किया, और शुरू में यह प्रस्तावित किया कि यह एक क्लोवरलीफ (तिपतिया घास) संरचना अपनाता है, जो मुख्य रूप से अणु के कुछ क्षेत्रों की स्टेम लूप संरचनाएं बनाने की क्षमता पर आधारित था। tRNA का अलगाव RNA संरचनात्मक जीव विज्ञान में पहली बड़ी उपलब्धि साबित हुई। Robert W. Holley के प्रकाशन के बाद, कई जांचकर्ताओं ने क्रिस्टलोग्राफिक अध्ययन के लिए tRNA को अलग करने पर काम करना शुरू किया, और काम करते हुए अणु को अलग करने के लिए बेहतर तरीके विकसित किए। 1968 तक कई समूहों ने tRNA क्रिस्टल का उत्पादन किया था, लेकिन ये सीमित गुणवत्ता वाले साबित हुए और संरचना निर्धारित करने के लिए आवश्यक रिज़ॉल्यूशन पर डेटा प्रदान नहीं कर सके। 1971 में, किम एट अल. ने एक और सफलता हासिल की, उन्होंने खमीर (yeast) tRNAPHE के क्रिस्टल का उत्पादन किया जो spermine, एक प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले polyamine, का उपयोग करके 2–3 एंगस्ट्रॉम रिज़ॉल्यूशन तक विवर्तित (diffract) हुए, जो tRNA से बंध गया और उसे स्थिर कर दिया। हालाँकि, उपयुक्त क्रिस्टल होने के बावजूद, tRNAPHE की संरचना को तुरंत उच्च रिज़ॉल्यूशन पर हल नहीं किया गया था; बल्कि पूरे अणु का उच्च-गुणवत्ता वाला घनत्व मानचित्र तैयार करने के लिए भारी धातु डेरिवेटिव के उपयोग में अग्रणी काम और काफी अधिक समय लगा। 1973 में, किम एट अल. ने tRNA अणु का 4 एंगस्ट्रॉम मानचित्र तैयार किया जिसमें वे स्पष्ट रूप से पूरे बैकबोन का पता लगा सकते थे। इस समाधान के बाद कई और समाधान सामने आए, क्योंकि विभिन्न जांचकर्ताओं ने संरचना को परिष्कृत करने के लिए काम किया और इस प्रकार बेस पेयरिंग और स्टैकिंग इंटरैक्शन के विवरण को अधिक पूरी तरह से स्पष्ट किया, और अणु की प्रकाशित वास्तुकला को मान्य किया।

tRNAPHE संरचना सामान्य रूप से न्यूक्लिक एसिड संरचना के क्षेत्र में उल्लेखनीय है, क्योंकि यह किसी भी प्रकार की लंबी-श्रृंखला वाली न्यूक्लिक एसिड संरचना—RNA या DNA—का पहला समाधान प्रस्तुत करती है, जो Richard E. Dickerson द्वारा B-फॉर्म डोडेकेमर के समाधान से लगभग एक दशक पहले की है।[11] साथ ही, tRNAPHE ने RNA वास्तुकला में देखे गए कई तृतीयक इंटरैक्शन का प्रदर्शन किया, जिन्हें आने वाले वर्षों तक वर्गीकृत और अधिक पूरी तरह से समझा नहीं गया था, जिसने भविष्य के सभी RNA संरचनात्मक अनुसंधान के लिए एक आधार प्रदान किया।

पुनर्जागरण: हैमरहेड राइबोज़ाइम और ग्रुप I इंट्रॉन: P4-6

पहले tRNA संरचनाओं के बाद काफी समय तक, RNA संरचना का क्षेत्र नाटकीय रूप से आगे नहीं बढ़ा। RNA संरचना का अध्ययन करने की क्षमता RNA लक्ष्य को अलग करने की क्षमता पर निर्भर करती थी। यह कई वर्षों तक क्षेत्र के लिए सीमित साबित हुआ, आंशिक रूप से क्योंकि अन्य ज्ञात लक्ष्य—जैसे, राइबोसोम—को अलग करना और क्रिस्टलीकृत करना काफी अधिक कठिन था। इसके अलावा, क्योंकि अन्य दिलचस्प RNA लक्ष्यों की पहचान नहीं की गई थी, या उन्हें दिलचस्प माने जाने के लिए पर्याप्त रूप से समझा नहीं गया था, संरचनात्मक रूप से अध्ययन करने के लिए चीजों की कमी थी। इस प्रकार, tRNAPHE संरचना के मूल प्रकाशन के बाद लगभग बीस वर्षों तक, केवल मुट्ठी भर अन्य RNA लक्ष्यों की संरचनाएं हल की गईं, जिनमें से लगभग सभी ट्रांसफर RNA परिवार से संबंधित थीं।[12] दायरे की यह दुर्भाग्यपूर्ण कमी अंततः न्यूक्लिक एसिड अनुसंधान में दो प्रमुख प्रगति के कारण काफी हद तक दूर हो गई: ribozymes (राइबोज़ाइम) की पहचान, और उन्हें in vitro ट्रांसक्रिप्शन के माध्यम से उत्पन्न करने की क्षमता।

टॉम सेच के प्रकाशन के बाद, जिसमें Tetrahymena group I intron को एक ऑटोकैटलिटिक राइबोज़ाइम के रूप में शामिल किया गया था,[13] और Sidney Altman की ribonuclease P RNA द्वारा उत्प्रेरण की रिपोर्ट के बाद, 1980 के दशक के अंत में कई अन्य उत्प्रेरक RNA की पहचान की गई, जिसमें hammerhead ribozyme भी शामिल है। 1994 में, मैके एट अल. ने 2.6 एंगस्ट्रॉम रिज़ॉल्यूशन पर एक 'हैमरहेड RNA-DNA राइबोज़ाइम-इन्हिबिटर कॉम्प्लेक्स' की संरचना प्रकाशित की, जिसमें DNA सब्सट्रेट से जुड़ने के माध्यम से राइबोज़ाइम की ऑटोकैटलिटिक गतिविधि बाधित हो गई थी। इस पेपर में प्रकाशित राइबोज़ाइम का स्वरूप अंततः कई संभावित अवस्थाओं में से एक के रूप में दिखाया गया था, और हालांकि यह विशेष नमूना उत्प्रेरक रूप से निष्क्रिय था, बाद की संरचनाओं ने इसकी सक्रिय-अवस्था वास्तुकला का खुलासा किया है। इस संरचना के बाद Jennifer Doudna द्वारा Tetrahymena ग्रुप I इंट्रॉन के P4-P6 डोमेन की संरचना का प्रकाशन हुआ, जो राइबोज़ाइम का एक टुकड़ा है जिसे मूल रूप से सेच ने प्रसिद्ध किया था। इस प्रकाशन के शीर्षक में दूसरा खंड—Principles of RNA Packing—संक्षेप में इन दो संरचनाओं के मूल्य को दर्शाता है: पहली बार, अच्छी तरह से वर्णित tRNA संरचनाओं और ट्रांसफर परिवार के बाहर के ग्लोबुलर RNA की संरचनाओं के बीच तुलना की जा सकती थी। इसने RNA तृतीयक संरचना के लिए वर्गीकरण का ढांचा तैयार करने की अनुमति दी। अब रूपांकनों (motifs), फोल्ड्स और विभिन्न स्थानीय स्थिर इंटरैक्शन के संरक्षण का प्रस्ताव करना संभव था। इन संरचनाओं और उनके निहितार्थों की प्रारंभिक समीक्षा के लिए, डौडना और फेरे-डी'अमारे द्वारा RNA FOLDS: Insights from recent crystal structures देखें।

क्रिस्टलोग्राफी के माध्यम से वैश्विक संरचना निर्धारण में की जा रही प्रगति के अलावा, 1990 के दशक की शुरुआत में RNA संरचनात्मक जीव विज्ञान में एक शक्तिशाली तकनीक के रूप में NMR का कार्यान्वयन भी देखा गया। क्रिस्टलोग्राफिक रूप से हल किए जा रहे बड़े पैमाने पर राइबोज़ाइम संरचनाओं के साथ, दवाओं और पेप्टाइड्स के साथ जटिल छोटे RNA और RNA की कई संरचनाओं को NMR का उपयोग करके हल किया गया था।[14] इसके अलावा, NMR का उपयोग अब क्रिस्टल संरचनाओं की जांच और पूरक करने के लिए किया जा रहा था, जैसा कि 1997 में प्रकाशित एक पृथक टेट्रालूप-रिसेप्टर मोटिफ संरचना के निर्धारण द्वारा उदाहरण दिया गया है। इस तरह की जांच ने बेस पेयरिंग और बेस स्टैकिंग इंटरैक्शन के अधिक सटीक लक्षण-वर्णन को सक्षम किया जिसने बड़े RNA अणुओं के वैश्विक फोल्ड्स को स्थिर किया। RNA तृतीयक संरचनात्मक रूपांकनों को समझने के महत्व को मिशेल और कोस्टा ने tetraloop मोटिफ की पहचान करने वाले अपने प्रकाशन में भविष्यवाणी के साथ अच्छी तरह से वर्णित किया था: "...अगर स्व-फोल्डिंग RNA अणु केवल तृतीयक रूपांकनों के अपेक्षाकृत छोटे सेट का गहन उपयोग करते हैं, तो इसमें आश्चर्य नहीं होना चाहिए। इन रूपांकनों की पहचान करना मॉडलिंग उद्यमों में बहुत मदद करेगा, जो तब तक आवश्यक रहेगा जब तक कि बड़े RNA का क्रिस्टलीकरण एक कठिन कार्य बना रहेगा"।

आधुनिक युग: RNA संरचनात्मक जीव विज्ञान का युग

1990 के दशक के मध्य में RNA संरचनात्मक जीव विज्ञान के पुनरुत्थान ने न्यूक्लिक एसिड संरचनात्मक अनुसंधान के क्षेत्र में एक वास्तविक विस्फोट पैदा कर दिया है। हैमरहेड और P4-6 संरचनाओं के प्रकाशन के बाद से, क्षेत्र में कई प्रमुख योगदान दिए गए हैं। कुछ सबसे उल्लेखनीय उदाहरणों में Group I और Group II intron की संरचनाएं शामिल हैं,[15] और Thomas Steitz की प्रयोगशाला में Nenad Ban और सहयोगियों द्वारा हल किया गया Ribosome शामिल है। पहली तीन संरचनाएं in vitro ट्रांसक्रिप्शन का उपयोग करके तैयार की गई थीं, और NMR ने सभी चार संरचनाओं के आंशिक घटकों की जांच करने में भूमिका निभाई है—जो RNA अनुसंधान के लिए दोनों तकनीकों की अपरिहार्यता का प्रमाण है। हाल ही में, 2009 का Nobel Prize in Chemistry राइबोसोम पर उनके संरचनात्मक कार्य के लिए Ada Yonath, Venkatraman Ramakrishnan और Thomas Steitz को प्रदान किया गया था, जो यह दर्शाता है कि आधुनिक आणविक जीव विज्ञान में RNA संरचनात्मक जीव विज्ञान ने कितनी प्रमुख भूमिका निभाई है।

प्रोटीन जैव रसायन का इतिहास

प्रथम पृथक्करण और वर्गीकरण

अठारहवीं शताब्दी में एंटोनी फोरक्रॉय और अन्य लोगों द्वारा प्रोटीनों को जैविक अणुओं के एक विशिष्ट वर्ग के रूप में पहचाना गया था। इस वर्ग के सदस्यों (जिन्हें "एल्ब्यूमिनोइड्स", Eiweisskörper, या matières albuminoides कहा जाता था) को गर्मी या अम्ल जैसे विभिन्न उपचारों के तहत स्कंदित या ऊर्णित होने की उनकी क्षमता से पहचाना जाता था; उन्नीसवीं शताब्दी की शुरुआत में इसके प्रसिद्ध उदाहरणों में अंडे की सफेदी से एल्ब्यूमेन, रक्त सीरम एल्ब्यूमेन, फाइब्रिन और गेहूं का ग्लूटेन शामिल थे। अंडे की सफेदी को पकाने और दूध के फटने के बीच की समानता को प्राचीन काल में भी पहचाना गया था; उदाहरण के लिए, अंडे की सफेदी वाले प्रोटीन के लिए एल्ब्यूमेन नाम प्लिनी द एल्डर द्वारा लैटिन शब्द albus ovi (अंडे की सफेदी) से गढ़ा गया था।

जोंस जैकब बर्ज़ेलियस की सलाह पर, डच रसायनज्ञ गेरहार्डस जोहान्स मुल्डर ने सामान्य पशु और पादप प्रोटीनों का तत्व विश्लेषण किया। सभी को आश्चर्य हुआ कि सभी प्रोटीनों का अनुभवजन्य सूत्र लगभग समान था, जो मोटे तौर पर C400H620N100O120 था, जिसमें अलग-अलग सल्फर और फास्फोरस परमाणु थे। मुल्डर ने अपने निष्कर्षों को दो शोध पत्रों (1837, 1838) में प्रकाशित किया और परिकल्पना की कि प्रोटीनों का एक मूल पदार्थ (Grundstoff) होता है, और इसे पौधों द्वारा संश्लेषित किया जाता है तथा पाचन के दौरान जानवरों द्वारा उनसे अवशोषित किया जाता है। बर्ज़ेलियस इस सिद्धांत के शुरुआती समर्थक थे और उन्होंने 10 जुलाई 1838 के एक पत्र में इस पदार्थ के लिए "प्रोटीन" नाम प्रस्तावित किया:

प्रोटीन नाम जो वह फाइब्रिन और एल्ब्यूमेन के कार्बनिक ऑक्साइड के लिए प्रस्तावित करते हैं, मैं उसे [[[ग्रीक भाषा|ग्रीक]] शब्द] πρωτειος से व्युत्पन्न करना चाहता था, क्योंकि यह पशु पोषण का आदिम या मुख्य पदार्थ प्रतीत होता है।

मुल्डर ने प्रोटीन क्षरण के उत्पादों जैसे अमीनो एसिड, ल्यूसीन की पहचान की, जिसके लिए उन्होंने 131 Da का (लगभग सही) आणविक भार पाया।

शुद्धिकरण और द्रव्यमान का मापन

मुल्डर के विश्लेषणों द्वारा सुझाया गया न्यूनतम आणविक भार लगभग 9 kDa था, जो अध्ययन किए जा रहे अन्य अणुओं से सैकड़ों गुना बड़ा था। इसलिए, प्रोटीनों की रासायनिक संरचना (उनकी प्राथमिक संरचना) 1949 तक अनुसंधान का एक सक्रिय क्षेत्र बनी रही, जब फ्रेड सेंगर ने इंसुलिन का अनुक्रमण किया। यह (सही) सिद्धांत कि प्रोटीन पेप्टाइड बॉन्ड द्वारा जुड़े अमीनो एसिड के रैखिक बहुलक (पॉलिमर) होते हैं, 1902 में एक ही सम्मेलन में फ्रांज हॉफमिस्टर और एमिल फिशर द्वारा स्वतंत्र रूप से और एक साथ प्रस्तावित किया गया था। हालाँकि, कुछ वैज्ञानिक संशय में थे कि इतने लंबे मैक्रोमोलेक्यूल घोल में स्थिर रह सकते हैं। परिणामस्वरूप, प्रोटीन प्राथमिक संरचना के कई वैकल्पिक सिद्धांत प्रस्तावित किए गए, जैसे कि कोलाइडल परिकल्पना कि प्रोटीन छोटे अणुओं के संयोजन थे, डोरोथी रिंच की साइक्लोल परिकल्पना, एमिल एबडरहेल्डन की डाइकेटोपाइपरज़ीन परिकल्पना और ट्रोन्सगार्ड (1942) की पाइरोल/पाइपरिडीन परिकल्पना। इनमें से अधिकांश सिद्धांतों को इस तथ्य को समझाने में कठिनाई हुई कि प्रोटीनों के पाचन से पेप्टाइड और अमीनो एसिड प्राप्त होते हैं। अंततः थियोडोर स्वेडबर्ग द्वारा विश्लेषणात्मक अल्ट्रासेंट्रीफ्यूजेशन का उपयोग करके यह दिखाया गया कि प्रोटीन अच्छी तरह से परिभाषित संरचना के मैक्रोमोलेक्यूल (न कि कोलाइडल मिश्रण) हैं। यह संभावना कि कुछ प्रोटीन ऐसे मैक्रोमोलेक्यूल के गैर-सहसंयोजक संयोजन हैं, गिल्बर्ट स्मिथसन अडेयर (हीमोग्लोबिन के परासरणी दबाव को मापकर) और बाद में, फ्रेडरिक एम. रिचर्ड्स द्वारा राइबोन्यूक्लिएज एस के उनके अध्ययन में दिखाई गई। प्रोटीनों की मास स्पेक्ट्रोमेट्री लंबे समय से पोस्ट-ट्रांसलेशनल मॉडिफिकेशन की पहचान करने और हाल ही में, प्रोटीन संरचना की जांच करने के लिए एक उपयोगी तकनीक रही है।

अधिकांश प्रोटीनों को मिलीग्राम से अधिक मात्रा में शुद्ध करना कठिन होता है, यहाँ तक कि सबसे आधुनिक तरीकों का उपयोग करने पर भी। इसलिए, शुरुआती अध्ययन उन प्रोटीनों पर केंद्रित थे जिन्हें बड़ी मात्रा में शुद्ध किया जा सकता था, उदाहरण के लिए, रक्त, अंडे की सफेदी, विभिन्न टॉक्सिन, और कसाईखाने से प्राप्त पाचन/चयापचय एंजाइम। द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान एडविन जोसेफ कोहन के नेतृत्व में एक परियोजना में रक्त प्रोटीनों को शुद्ध करने के लिए कई प्रोटीन शुद्धिकरण तकनीकें विकसित की गईं ताकि सैनिकों को जीवित रहने में मदद मिल सके। 1950 के दशक के अंत में, आर्मर हॉट डॉग कंपनी ने 1 किग्रा (= दस लाख मिलीग्राम) शुद्ध गोजातीय अग्नाशयी राइबोन्यूक्लिएज ए को शुद्ध किया और इसे दुनिया भर के वैज्ञानिकों के लिए कम लागत पर उपलब्ध कराया।[16] इस उदार कार्य ने RNase A को अगले कुछ दशकों के लिए बुनियादी अनुसंधान के लिए मुख्य प्रोटीन बना दिया, जिसके परिणामस्वरूप कई नोबेल पुरस्कार मिले।

प्रोटीन फोल्डिंग और पहले संरचनात्मक मॉडल

प्रोटीन फोल्डिंग का अध्ययन 1910 में हैरियट चिक और सी. जे. मार्टिन के एक प्रसिद्ध शोध पत्र के साथ शुरू हुआ, जिसमें उन्होंने दिखाया कि प्रोटीन का ऊर्णन दो अलग-अलग प्रक्रियाओं से बना था: घोल से प्रोटीन का अवक्षेपण एक अन्य प्रक्रिया से पहले होता है जिसे विकृतीकरण कहा जाता है, जिसमें प्रोटीन बहुत कम घुलनशील हो जाता है, अपनी एंजाइमी गतिविधि खो देता है और अधिक रासायनिक रूप से प्रतिक्रियाशील हो जाता है। 1920 के दशक के मध्य में, टिम एनसन और अल्फ्रेड मिर्स्की ने प्रस्तावित किया कि विकृतीकरण एक प्रतिवर्ती प्रक्रिया है, एक सही परिकल्पना जिसे शुरू में कुछ वैज्ञानिकों द्वारा "अंडे को अनबॉइलिंग" (unboiling the egg) के रूप में उपहासित किया गया था। एनसन ने यह भी सुझाव दिया कि विकृतीकरण एक दो-अवस्था ("सब या कुछ नहीं") प्रक्रिया है, जिसमें एक मौलिक आणविक संक्रमण के परिणामस्वरूप घुलनशीलता, एंजाइमी गतिविधि और रासायनिक प्रतिक्रियाशीलता में भारी बदलाव आते हैं; उन्होंने आगे उल्लेख किया कि विकृतीकरण पर मुक्त ऊर्जा परिवर्तन रासायनिक प्रतिक्रियाओं में शामिल परिवर्तनों की तुलना में बहुत छोटे होते हैं। 1929 में, ह्सियन वू ने परिकल्पना की कि विकृतीकरण प्रोटीन का अनफोल्डिंग (खुलना) है, जो पूरी तरह से एक संरचनात्मक परिवर्तन है जिसके परिणामस्वरूप विलायक के संपर्क में अमीनो एसिड साइड चेन आ जाती हैं। इस (सही) परिकल्पना के अनुसार, विलायक के संपर्क में एलिफैटिक और प्रतिक्रियाशील साइड चेन आने से प्रोटीन कम घुलनशील और अधिक प्रतिक्रियाशील हो जाता है, जबकि एक विशिष्ट संरचना के नुकसान के कारण एंजाइमी गतिविधि का नुकसान होता है। हालांकि इसे प्रशंसनीय माना गया, लेकिन वू की परिकल्पना को तुरंत स्वीकार नहीं किया गया, क्योंकि प्रोटीन संरचना और एंजाइमोलॉजी के बारे में बहुत कम जानकारी थी और अन्य कारक घुलनशीलता, एंजाइमी गतिविधि और रासायनिक प्रतिक्रियाशीलता में बदलाव के लिए जिम्मेदार हो सकते थे। 1960 के दशक की शुरुआत में, क्रिस एनफिनसेन ने दिखाया कि राइबोन्यूक्लिएज ए की फोल्डिंग पूरी तरह से प्रतिवर्ती थी और इसमें किसी बाहरी कोफ़ैक्टर की आवश्यकता नहीं थी, जिसने प्रोटीन फोल्डिंग की "ऊष्मप्रवैगिकी परिकल्पना" को सत्यापित किया कि फोल्ड की गई अवस्था प्रोटीन के लिए मुक्त ऊर्जा के वैश्विक न्यूनतम का प्रतिनिधित्व करती है।

प्रोटीन फोल्डिंग की परिकल्पना के बाद उन भौतिक अंतःक्रियाओं पर शोध हुआ जो फोल्ड की गई प्रोटीन संरचनाओं को स्थिर करती हैं। हाइड्रोफोबिक अंतःक्रिया की महत्वपूर्ण भूमिका की परिकल्पना डोरोथी रिंच और इर्विंग लैंगमुइर द्वारा एक तंत्र के रूप में की गई थी जो उनकी साइक्लोल संरचनाओं को स्थिर कर सकता था। हालांकि जे. डी. बर्नाल और अन्य लोगों द्वारा समर्थित, इस (सही) परिकल्पना को साइक्लोल परिकल्पना के साथ खारिज कर दिया गया था, जिसे 1930 के दशक में लिनस पॉलिंग (अन्य लोगों के साथ) द्वारा गलत साबित कर दिया गया था। इसके बजाय, पॉलिंग ने इस विचार का समर्थन किया कि प्रोटीन संरचना मुख्य रूप से हाइड्रोजन बॉन्ड द्वारा स्थिर होती है, एक विचार जिसे शुरू में विलियम एस्टबरी (1933) द्वारा आगे बढ़ाया गया था। उल्लेखनीय रूप से, H-बॉन्ड के बारे में पॉलिंग के गलत सिद्धांत के परिणामस्वरूप प्रोटीन के द्वितीयक संरचना तत्वों, अल्फा हेलिक्स और बीटा शीट के लिए उनके सही मॉडल सामने आए। हाइड्रोफोबिक अंतःक्रिया को 1959 में विकृतीकरण पर वाल्टर कौज़मैन के एक प्रसिद्ध लेख द्वारा अपनी सही प्रमुखता में बहाल किया गया, जो आंशिक रूप से काज लिंडरस्ट्रॉम-लैंग के काम पर आधारित था। प्रोटीनों की आयनिक प्रकृति को ब्जेर्रम, वेबर और आर्ने टिसेलियस द्वारा प्रदर्शित किया गया था, लेकिन लिंडरस्ट्रॉम-लैंग ने दिखाया कि आवेश आमतौर पर विलायक के लिए सुलभ थे और एक-दूसरे से बंधे नहीं थे (1949)।

ग्लोबुलर प्रोटीनों की द्वितीयक और निम्न-रिज़ॉल्यूशन तृतीयक संरचना की जांच शुरू में हाइड्रोडायनामिक विधियों, जैसे विश्लेषणात्मक अल्ट्रासेंट्रीफ्यूजेशन और प्रवाह द्विअपवर्तन द्वारा की गई थी। प्रोटीन संरचना की जांच के लिए स्पेक्ट्रोस्कोपिक विधियों (जैसे परिपत्र डाइक्रोइज्म, प्रतिदीप्ति, निकट-पराबैंगनी और अवरक्त अवशोषण) को 1950 के दशक में विकसित किया गया था। प्रोटीनों की पहली परमाणु-रिज़ॉल्यूशन संरचनाओं को 1960 के दशक में एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी द्वारा और 1980 के दशक में NMR द्वारा हल किया गया था। 2019, प्रोटीन डेटा बैंक में प्रोटीनों की 150,000 से अधिक परमाणु-रिज़ॉल्यूशन संरचनाएं हैं। हाल के समय में, बड़े मैक्रोमोलेक्यूलर असेंबली की क्रायो-इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी ने परमाणु रिज़ॉल्यूशन प्राप्त किया है, और छोटे प्रोटीन डोमेन की कम्प्यूटेशनल प्रोटीन संरचना भविष्यवाणी परमाणु रिज़ॉल्यूशन के करीब पहुंच रही है।

यह भी देखें

संदर्भ

  1. ↑ Weaver, Warren. (6 November 1970). "Molecular Biology: Origin of the Term". Science. 170 (3958) 581–582. doi:10.1126/science.170.3958.581-a.
  2. ↑ (1941). "Genetic Control of Biochemical Reactions in Neurospora". PNAS. 27 (11) 499–506. doi:10.1073/pnas.27.11.499.
  3. ↑ Burakoff, Maddie. (25 April 2023). Rosalind Franklin's role in DNA discovery gets a new twist. AP News.
  4. ↑ (2015). "A century of phage research: Bacteriophages and the shaping of modern biology". BioEssays. 37 (1) 6–9. doi:10.1002/bies.201400152.
  5. ↑ (1961). "General nature of the genetic code for proteins". Nature. 192 (4809) 1227–32. doi:10.1038/1921227a0.
  6. ↑ Soyfer VN. (September 2001). "The consequences of political dictatorship for Russian science". Nat. Rev. Genet.. 2 (9) 723–9. doi:10.1038/35088598.
  7. ↑ (April 1953). Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid. Nature. 171 (4356) 737–8. doi:10.1038/171737a0.
  8. ↑ (May 1961). An Unstable Intermediate Carrying Information from Genes to Ribosomes for Protein Synthesis. Nature. 190 (4776) 576–581. doi:10.1038/190576a0.
  9. ↑ (April 1953). Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid. Nature. 171 (4356) 737–738. doi:10.1038/171737a0.
  10. ↑ (June 1964). "The number of soluble RNA molecules on reticulocyte polyribosomes". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.. 51 (6) 1134–41. doi:10.1073/pnas.51.6.1134.
  11. ↑ (April 1981). "Structure of a B-DNA dodecamer: conformation and dynamics". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.. 78 (4) 2179–83. doi:10.1073/pnas.78.4.2179.
  12. ↑ (August 1995). "RNA structure at high resolution". FASEB J.. 9 (11) 1023–33. doi:10.1096/fasebj.9.11.7544309.
  13. ↑ (December 1981). "In vitro splicing of the ribosomal RNA precursor of Tetrahymena: involvement of a guanosine nucleotide in the excision of the intervening sequence". Cell. 27 (3 Pt 2) 487–96. doi:10.1016/0092-8674(81)90390-1.
  14. ↑ (June 1997). "Recent solution structures of RNA and its complexes with drugs, peptides and proteins". Curr. Opin. Struct. Biol.. 7 (3) 317–23. doi:10.1016/S0959-440X(97)80046-2.
  15. ↑ 3BWP; (April 2008). "Crystal structure of a self-spliced group II intron". Science. 320 (5872) 77–82. doi:10.1126/science.1153803.; rendered with PyMOL
  16. ↑ (1972). "The 1972 nobel prize for chemistry". Science. 178 (4060) 492–3. doi:10.1126/science.178.4060.492.

स्रोत: अंग्रेज़ी विकिपीडिया के “History of molecular biology” लेख का अनुवाद। मूल लेख: https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_molecular_biology यह अनुवाद स्वचालित रूप से तैयार किया गया है।

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