सस्ता माइक्रोस्कोप प्रोटीन मैपिंग को जन-जन तक पहुंचा सकता हैगहराई में अनुभाग में | जीवविज्ञान टीम कम लागत वाले उपकरण के साथ पहली प्रोटीन संरचनाओं का समाधान करती है यूके के शोधकर्ताओं का कहना है कि उनका प्रोटोटाइप क्रायो-इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप $500,000 में बनाया और बेचा जा सकता है। फोटो: सीजे रूसो/मेडिकल रिसर्च काउंसिल प्रयोगशाला आण्विक जीवविज्ञान किसी भी संरचनात्मक जीवविज्ञानी से बात करें, और वे आपको बताएंगे कि कैसे एक अच्छी नई पद्धति उनके क्षेत्र पर हावी हो रही है। प्रोटीन को फ्लैश फ्रीजिंग करके और उन पर इलेक्ट्रॉनों की बमबारी करके, क्रायो-इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (क्रायो-ईएम) निकट-परमाणु रिज़ॉल्यूशन के साथ प्रोटीन आकृतियों को मैप कर सकता है, उनके कार्य के लिए सुराग प्रदान कर सकता है और उन धक्कों और घाटियों को प्रकट कर सकता है जिन्हें दवा डेवलपर्स लक्षित कर सकते हैं। तकनीक कई विन्यासों में टेढ़े-मेढ़े प्रोटीनों को पकड़ सकती है, और यह उन प्रोटीनों को भी पकड़ सकती है जो पारंपरिक एक्स-रे विश्लेषण की सीमा से बाहर हैं क्योंकि वे क्रिस्टलीकृत होने का हठपूर्वक विरोध करते हैं। कई शोधकर्ताओं को उम्मीद है कि क्रायो-ईएम अगले साल हल की गई नई प्रोटीन संरचनाओं की संख्या में एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी को पार कर जाएगा। फिर भी, अपने सभी आकर्षणों के बावजूद, क्रायो-ईएम में खामियां हैं: फ्रीजिंग प्रक्रिया जटिल है, और माइक्रोस्कोप महंगे हैं। हाई-एंड मशीनों को खरीदने में 5 मिलियन डॉलर से अधिक, स्थापित करने में लगभग इतनी ही लागत और संचालन और रखरखाव में प्रति वर्ष सैकड़ों हजारों की लागत आ सकती है। कई अमेरिकी राज्यों और देशों में एक भी क्रायो-ईएम माइक्रोस्कोप नहीं है। ओक्लाहोमा विश्वविद्यालय में संरचनात्मक जीवविज्ञानी राखी राजन कहती हैं, ''अभी जो है और जो नहीं है वही स्थिति है।'' विश्वविद्यालय में फिलहाल एक का अभाव है। मेडिकल रिसर्च काउंसिल की प्रयोगशाला आण्विक जीवविज्ञान (एलएमबी) के शोधकर्ता इस क्षेत्र को लोकतांत्रिक बनाने के लिए काम कर रहे हैं ( विज्ञान , 24 जनवरी 2020, पृष्ठ 354)। आज, नेशनल एकेडमी ऑफ साइंसेज की कार्यवाही में , यूके टीम ने एक प्रोटोटाइप क्रायो-ईएम माइक्रोस्कोप को एक साथ जोड़ने का वर्णन किया है जिसने इसकी पहली संरचनाओं को हल कर लिया है। मशीन - जिसे एलएमबी भौतिक विज्ञानी क्रिस रूसो "फेरारी" के बजाय "सस्ती छोटी हैचबैक" कहते हैं - लागत के दसवें हिस्से के लिए क्षमताओं में उच्च-स्तरीय मशीनों को टक्कर दे सकती है। रूसो का मानना है कि एक निर्माता $500,000 में डिज़ाइन बना और बेच सकता है। चैन जुकरबर्ग इमेजिंग इंस्टीट्यूट के संस्थापक तकनीकी निदेशक ब्रिजेट कैराघेर का कहना है कि यह नए कर्मचारियों के स्टार्टअप पैकेज या अनुसंधान एजेंसियों द्वारा दिए जाने वाले उपकरण अनुदान की पहुंच के भीतर है। वह कहती हैं, ''यह एक अद्भुत मशीन होगी।'' "हर कोई जो संरचनात्मक जीव विज्ञान करना चाहता है वह इसे कर सकता है।" कृत्रिम बुद्धिमत्ता (एआई) में हालिया प्रगति संरचनात्मक जीव विज्ञान करने का एक और भी सस्ता तरीका प्रदान करती प्रतीत हो सकती है। एआई एल्गोरिदम अपने अमीनो एसिड अनुक्रम से प्रोटीन की संरचना का सटीक अनुमान लगा सकता है। लेकिन क्योंकि एआई को ज्ञात संरचनाओं पर प्रशिक्षित किया जाता है, इसलिए उनकी भविष्यवाणियां कभी-कभी असामान्य प्रोटीन कॉन्फ़िगरेशन के साथ लड़खड़ा जाती हैं, रूसो कहते हैं, और वे अभी भी क्रायो-ईएम के विकल्प नहीं हैं। उच्च-स्तरीय क्रायो-ईएम माइक्रोस्कोप तक पहुंच को बढ़ावा देने के लिए, राष्ट्रीय स्वास्थ्य संस्थान ने तीन राष्ट्रीय केंद्र बनाए हैं जहां गैर-शोधकर्ता नमूने भेज सकते हैं। लेकिन हब-एंड-स्पोक्स प्रणाली समस्याओं के साथ आती है। राजन अक्सर राष्ट्रीय केंद्रों से नतीजों के इंतजार में कई महीने बिता देती है, लेकिन बाद में उसे पता चलता है कि उसके नमूने बेकार थे। हालाँकि वह प्रोटीन को फ़्रीज़ करने में बेहतर हो रही है, राजन का मानना है कि उसके 10% से भी कम नमूनों के नतीजे अच्छे डेटा आए हैं। इसीलिए, भले ही शोधकर्ता एक शीर्ष क्रायो-ईएम माइक्रोस्कोप नहीं खरीद सकते, कई लोग एक स्क्रीनिंग मशीन चाहते हैं जो उच्च रिज़ॉल्यूशन छवियों के लिए राष्ट्रीय केंद्रों को भेजने से पहले कम से कम नमूनों की गुणवत्ता की जांच कर सके। यह रुसो और उनके सहयोगियों के लिए एक प्राथमिक प्रेरणा थी, जिसमें एलएमबी में नोबेल पुरस्कार विजेता रिचर्ड हेंडरसन शामिल थे, जिन्होंने क्रायो-ईएम का नेतृत्व किया था। टीम की प्रमुख अंतर्दृष्टियों में से एक यह थी कि इलेक्ट्रॉन बीम को आमतौर पर उच्च-स्तरीय क्रायो-ईएम माइक्रोस्कोप में उपयोग की जाने वाली ऊर्जा की आवश्यकता नहीं होती है। 100 किलोइलेक्ट्रॉनवोल्ट (केवी) का स्तर - एक तिहाई उच्च - आणविक संरचना को प्रकट करने के लिए पर्याप्त है, और वे चिंगारी को बुझाने के लिए एक विनियमित गैस, सल्फर हेक्साफ्लोराइड की आवश्यकता को समाप्त करके लागत को कम करते हैं। टीम ने लेंस की प्रणाली में सुधार की गुंजाइश भी देखी जो इलेक्ट्रॉनों पर ध्यान केंद्रित करती है और डिटेक्टर जो नमूने की जांच के बाद उन्हें पकड़ लेता है। परिणामी प्रोटोटाइप के साथ, एलएमबी समूह ने 11 विविध प्रोटीनों की संरचना निर्धारित की। एक था आयरन-स्टोरिंग प्रोटीन एपोफेरिटिन, जिसका उपयोग क्रायो-ईएम बेंचमार्क के रूप में किया जाता है। एलएमबी शोधकर्ताओं ने इसे 2.6 एंगस्ट्रॉम पर मैप किया - जो हाइड्रोजन परमाणु के व्यास का 2.6 गुना है। रूसो का कहना है कि यह 1.2 एंगस्ट्रॉम के रिकॉर्ड क्रायो-ईएम रिज़ॉल्यूशन जितना ऊंचा नहीं है, लेकिन परमाणु मॉडल बनाने के लिए काफी अच्छा है। और प्रक्रिया तेज़ थी. क्योंकि माइक्रोस्कोप फ्रीजिंग चरण के रूप में उसी प्रयोगशाला में बैठा था, टीम जल्दी से जांच कर सकती थी कि उसके नमूने काफी अच्छे थे, बजाय किसी उच्च-स्तरीय मशीन से परिणामों के लिए हफ्तों इंतजार करने के। रुसो कहते हैं, "हर एक संरचना एक दिन से भी कम समय में तैयार की गई थी।" टॉप-एंड मशीन बनाने वाली थर्मो फिशर साइंटिफिक का कहना है कि वह पहले से ही क्रायो-ईएम बाजार का विस्तार कर रही है। 2020 में, इसने टुंड्रा नामक कम लागत वाला विकल्प बेचना शुरू किया, जो 100 केवी पर संचालित होता है। कंपनी के क्रायो-ईएम व्यवसाय की प्रमुख उपाध्यक्ष त्रिशा राइस कहती हैं, "ऐसे विश्वविद्यालय हैं जिन्होंने शायद कभी विश्वास नहीं किया था कि वे क्रायो-ईएम के मालिक हो सकते हैं, जिनके पास अब उपकरण हैं।" दरअसल, राजन के विश्वविद्यालय ने 1.5 मिलियन डॉलर में एक ऑर्डर दिया था। रूसो का कहना है कि टुंड्रा सही दिशा में एक कदम है, लेकिन उनकी टीम के नवाचार क्रायो-ईएम को और भी सस्ता बना सकते हैं। उदाहरण के लिए, वे कहते हैं, टुंड्रा शीर्ष-अंत सूक्ष्मदर्शी में उपयोग किए जाने वाले महंगे इलेक्ट्रॉन स्रोत के सरलीकृत संस्करण पर ऊर्जा को वापस डायल करता है, जबकि एलएमबी प्रोटोटाइप पर इलेक्ट्रॉन गन को शुरुआत से 100 केवी के लिए डिज़ाइन किया गया था। लेकिन वह समझते हैं कि उनकी टीम के डिज़ाइन के व्यावसायीकरण के लिए संभावित निर्माताओं द्वारा बड़े निवेश की आवश्यकता होगी। रूसो कहते हैं, ''हम उन सभी से बात कर रहे हैं।'' "लेकिन दिन के अंत में, यह उन पर निर्भर है