डीएनए की तह यह नियंत्रित करती है कि कौन से जीन सक्रिय होते हैं

इस खोज से भविष्य में बीमारियों के निदान और उपचार के लिए कोशिकाओं में डीएनए पैकेजिंग का उपयोग संभव हो सकता है।

संरक्षित कोशिकाओं में, नव विकसित फ्लोरोसेंट प्रोब्स ने शोधकर्ताओं को व्यक्तिगत डाई अणुओं को 3 नैनोमीटर की सटीकता तक सटीक रूप से पहचानने में सक्षम बनाया, जो डीएनए डबल हेलिक्स की चौड़ाई के लगभग बराबर है। यही अणु जीवित कोशिकाओं के अंदर डीएनए की संरचना और गति को भी प्रकट कर सकते हैं, जिससे वैज्ञानिकों को क्रोमेटिन का ऐसे उच्च स्तर पर अध्ययन करने का तरीका मिल गया है जो पहले कोशिकाओं को मारे बिना संभव नहीं था।

जब टीम ने तीन कैंसर रोगियों के मोम में संरक्षित आंत्र ऊतक पर जांच की, तो उन्हें एक और महत्वपूर्ण अंतर मिला। ट्यूमर में डीएनए स्वस्थ ऊतक की तुलना में काफी ढीला और फैला हुआ दिखाई दिया। अन्य शोधों से पता चला है कि कैंसर के विकास के साथ डीएनए धीरे-धीरे खुलता जाता है, जिससे यह संभावना बढ़ जाती है कि इसकी तह की मात्रा अंततः यह जानकारी प्रदान कर सकती है कि ट्यूमर कितना उन्नत या आक्रामक है।

डॉक्टर वर्तमान में सौ साल से भी अधिक पुरानी रंगाई तकनीक का उपयोग करके आंखों से इन बायोप्सी का आकलन करते हैं। मॉलिक्यूलर सेल नामक पत्रिका में वर्णित यह नया दृष्टिकोण, अंततः कैंसर के निदान और उपचार के लिए एक और सुराग के रूप में, त्रि-आयामी अंतरिक्ष में डीएनए की व्यवस्था के बारे में जानकारी प्रदान कर सकता है।

“एक ही डाई का उपयोग करके हम दो बिल्कुल अलग-अलग काम कर सकते हैं। जीवित कोशिका में हम डीएनए की गति देख सकते हैं, जिससे हमें पता चलता है कि क्रोमेटिन, जो कोशिकाओं में डीएनए की प्राकृतिक अवस्था है, कैसे व्यवहार करती है। संरक्षित कोशिका में हम इतना ज़ूम कर सकते हैं कि लगभग डीएनए अणु के आकार तक पहुँच जाएँ। इन दोनों तरीकों को मिलाकर हम मानव जीव विज्ञान में नियंत्रण की मुख्य परतों में से एक को अभूतपूर्व स्पष्टता के साथ देख सकते हैं,” अध्ययन की वरिष्ठ लेखिका, आईसीआरए रिसर्च प्रोफेसर पिया कॉस्मा बताती हैं।

डीएनए की तह यह नियंत्रित करती है कि कौन से जीन सक्रिय होते हैं

मानव शरीर की प्रत्येक कोशिका में लगभग दो मीटर (6.6 फीट) डीएनए एक छोटे से स्थान में समाहित होता है। डीएनए की संरचना कितनी सघनता से मुड़ी हुई है, यह निर्धारित करने में सहायक होता है कि कौन से जीन सक्रिय हैं और कौन से निष्क्रिय रहते हैं।

जीवित कोशिकाओं में उस संरचना का अध्ययन करना कठिन रहा है। डीएनए के मुड़ने की अधिकांश छवियां मृत कोशिकाओं से प्राप्त होती हैं क्योंकि व्यक्तिगत घटकों का पता लगाने के लिए उपयोग की जाने वाली शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी तकनीकें अक्सर कठोर रसायनों और तीव्र लेजर प्रकाश पर निर्भर करती हैं जिन्हें जीवित कोशिकाएं सहन नहीं कर सकतीं।

टिमटिमाती हुई जांच से जीवित डीएनए के दृश्य और स्पष्ट हो जाते हैं।

बार्सिलोना स्थित सेंटर फॉर जीनोमिक रेगुलेशन (सीआरजी), हांगकांग सिटी यूनिवर्सिटी और ग्वांगडोंग प्रांतीय पीपुल्स हॉस्पिटल (ग्वांगडोंग एकेडमी ऑफ मेडिकल साइंसेज) सदर्न मेडिकल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने फ्लोरोसेंट प्रोब डिजाइन किए जो इस सीमा को दूर कर सकते हैं।

HoT के नाम से जाने जाने वाले ये रंग जीवित कोशिकाओं में स्वतः प्रवेश कर सकते हैं और DNA से जुड़ सकते हैं। इन्हें इस प्रकार से तैयार किया गया है कि ये लगातार चमकने के बजाय रुक-रुक कर जलते-बुझते हैं। शोधकर्ताओं ने इनका परीक्षण जीवित मानव त्वचा कोशिकाओं और प्रयोगशाला में विकसित HeLa कैंसर कोशिकाओं पर किया।

ह टिमटिमाती हुई प्रक्रिया स्पष्ट चित्र प्राप्त करने के लिए आवश्यक है। यदि सभी रंग एक साथ प्रकाश उत्सर्जित करें, तो उनके संकेत आपस में धुंधले हो जाएंगे। एक उन्नत माइक्रोस्कोप अलग-अलग प्रोब के चालू होते ही उनका पता लगाकर उनकी स्थिति निर्धारित कर सकता है। फिर एक कंप्यूटर प्रोग्राम हजारों स्नैपशॉट को मिलाकर एक ऐसा चित्र बनाता है जो पारंपरिक माइक्रोस्कोप द्वारा बनाए गए चित्र से लगभग दस गुना अधिक स्पष्ट होता है।

"सबसे बड़ी चुनौती सुपर-रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग के लिए सही ब्लिंकिंग व्यवहार वाले फ्लोरोफोर को डिजाइन करना था," हांगकांग सिटी यूनिवर्सिटी के प्रोफेसर होंगयान सन कहते हैं, जो इस अध्ययन के सह-वरिष्ठ लेखक हैं।

एक पारंपरिक माइक्रोस्कोप लगभग 200 नैनोमीटर से कम दूरी पर स्थित वस्तुओं को स्पष्ट रूप से अलग नहीं कर सकता। STORM नामक अति-उच्च रिज़ॉल्यूशन तकनीक वाले नए प्रोब्स का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने जीवित कोशिकाओं के अंदर डीएनए को 20 नैनोमीटर के रिज़ॉल्यूशन पर देखा।

उन्होंने रासायनिक रूप से संरक्षित प्रयोगशाला कोशिकाओं में और भी अधिक सटीकता हासिल की, जहां कोशिकीय संरचनाएं स्थिर होती हैं। MINFLUX नामक एक अन्य सूक्ष्मदर्शी तकनीक का उपयोग करके, टीम ने व्यक्तिगत डाई अणुओं का पता तीन अरबवें मीटर, या 3 नैनोमीटर की सटीकता तक लगाया।

अध्ययन की पहली लेखिका ऐपिंग वांग ने कहा, "डीएनए डबल हेलिक्स का व्यास लगभग 2 नैनोमीटर है, इसलिए 3 नैनोमीटर की स्थानीयकरण सटीकता हमें डीएनए अणु के भौतिक पैमाने के बेहद करीब ले आती है।"

यह विधि कैंसर से परे के अंतरों को उजागर करती है।

ये प्रोब मानव कोशिकाओं के बाहर भी कारगर साबित हुए। शोधकर्ताओं ने इन्हें ज़ेब्राफ़िश की आंख के ऊतकों के टुकड़ों पर प्रयोग किया। ज़ेब्राफ़िश क्षतिग्रस्त रेटिना को पुनर्जीवित कर सकती है, एक ऐसी प्रक्रिया जिसमें कोशिकाएं अपने डीएनए को ढीला करती हैं ताकि वे फिर से लचीली हो सकें।

शोधकर्ताओं ने यह भी परीक्षण किया कि क्या कृत्रिम बुद्धिमत्ता इन विस्तृत छवियों के आधार पर कोशिकाओं में अंतर कर सकती है। उन्होंने AINU का उपयोग किया, जो "नाभिक की AI" का संक्षिप्त रूप है, एक ऐसा प्रोग्राम जिसे टीम ने 2024 में पेश किया था। यह प्रोग्राम नाभिकीय डीएनए की अति-रिज़ॉल्यूशन छवियों की जांच करके उन पैटर्नों का पता लगाता है जो मानव आंख के लिए बहुत सूक्ष्म होते हैं।

जीवित कोशिकाओं की नई छवियों पर प्रशिक्षण के बाद, AINU ने त्वचा कोशिकाओं और स्टेम कोशिकाओं के बीच 96 से 98 प्रतिशत की सटीकता के साथ अंतर किया। हालांकि दोनों प्रकार की कोशिकाओं में समान डीएनए होता है, लेकिन वे इसे अलग-अलग तरीके से पैक करती हैं, और एआई इन अंतरों का पता लगाने में सक्षम था।

AINU मूल रूप से केवल मृत और संरक्षित कोशिकाओं पर ही काम करता था। नए फ्लोरोसेंट प्रोब्स के साथ इसे संयोजित करने से अब यह प्रोग्राम जीवित कोशिकाओं का विश्लेषण करने में सक्षम हो गया है। शोधकर्ताओं को उम्मीद है कि यही सिद्धांत अंततः कैंसरग्रस्त ऊतक को स्वस्थ ऊतक से अलग करने या पुनर्योजी चिकित्सा के लिए आशाजनक स्टेम कोशिकाओं की पहचान करने में सहायक हो सकता है।

सबसे स्पष्ट छवियों के लिए भी संरक्षित कोशिकाओं की आवश्यकता होती है।

इस तकनीक में अभी भी महत्वपूर्ण सीमाएँ हैं। फ्लोरोसेंट अणु डीएनए को व्यापक रूप से ढक लेते हैं, न कि किसी विशिष्ट जीन की पहचान करते हैं, और उच्चतम-रिज़ॉल्यूशन वाली छवियाँ जीवित कोशिकाओं के बजाय संरक्षित कोशिकाओं से प्राप्त की गई थीं।

टीम अब इस सीमा पर आगे का काम कर रही है। MINFLUX में जीवित कोशिकाओं में प्रोब की इमेजिंग करने की क्षमता भी है।