హోమ్ / విద్య / బాలల ప్రపంచం / బాలల సైన్స్ విభాగం / అడిగి తెలుసుకుందాం / అతిశీతల ఎలక్ట్రాన్ సూక్ష్మదర్శినితో జీవాణువుల 3-D చిత్రాలు
పంచుకోండి
వ్యూస్
  • స్థితి: సవరణ కు సిద్ధం

అతిశీతల ఎలక్ట్రాన్ సూక్ష్మదర్శినితో జీవాణువుల 3-D చిత్రాలు

ఇటీవలి కాలంలో సైన్స్ సాహిత్యమంతా జీవాణు యాంత్రికపు అద్భుత నిర్మాణాలతో నిండిపోయింది.

jan16ఇటీవలి కాలంలో సైన్స్ సాహిత్యమంతా జీవాణు యాంత్రికపు అద్భుత నిర్మాణాలతో నిండిపోయింది. అవి కణాలపై దాడిచేసే సాల్మనెల్లా బాక్టీరియం ఇంజెక్షన్ సూది వంటి నిర్మాణం కావచ్చు. యాంటిబయాటిక్స్ ను (సూక్ష్మజీవనాశక ఔషధాలు) తట్టుకునే ప్రోటీన్లు కావచ్చు. జీవగడియారపు విధుల్ని నియంత్రించే అణు సంక్లిష్టాలు కావచ్చు. వినికిడికి తోడ్పడే పీడన సెన్సార్ కావచ్చు. కాదంటే కిరణజన్య సంయోగక్రియలో కాంతిని స్వీకరించే అణు సంక్లిష్టం కావచ్చు. క్రయో (అతిశీతల) ఎలక్ట్రాన్ సూక్ష్మదర్శినితో తీసిన వందలాది చిత్రాల్లో ఇవి కేవలం కొన్ని ఉదాహరణలు మాత్రమే!

బ్రెజిల్ దేశంలో మెదడువాపుతో పెద్ద ఎత్తున శిశు మరణాలు సంభవించడానికి కారణమైన వైరస్-జికావైరస్ నిర్మాణపు 3-D చిత్రాన్ని అందించింది కూడ ఈ అతిశీతల ఎలక్ట్రాన్ సూక్ష్మదర్శినే. ఈ 3-D చిత్రం సహాయంతోనే వైరసను అంతంచేస్తే మందులు కనుక్కునే వీలు కలిగింది. ఇటువంటి అతిశీతల ఎలక్రాన్ సూక్ష్మదర్శినిని అభివృద్ధి చేసే డిస్కవరీలు చేసిన ముగ్గురు శాస్త్రవేత్తలకు 2017 సం. రసాయనశాస్త్ర నోబెల్ పురస్కారం లభించింది. వారే జాక్స్ డుబోచెట్ (Jacques Dubouchet), జోచిమ్ ఫ్రాంక్ (Joachim Frank), రిచర్డ్ హెండర్సన్ (Richard Henderson) లు, వీరు కనుగొన్న పద్దతితో జీవాణువుల చిత్రాలను ఇంతకు ముందుకంటే తేలిగ్గా, స్పష్టంగా తీసే వీలు కలిగింది.

జీవాణువులైన ప్రోటీన్లు, DNA, RNA కణంలో నిర్వహించే ముఖ్యపాత్ర గురించి 20వ శతాబ్దపు పూర్వార్ధంలోనే శాస్త్రవేత్తలకు తెలుసు. కానీ అవి ఎలా ఉంటాయో, వాటి నిర్మాణమేమిటో మాత్రం తెలియదు. 1950 వ దశకంలో కేంబ్రిడ్జ్ శాస్త్రవేత్తలు ఎక్స్రేల ద్వారా ప్రొటీన్ స్ఫటికాల నిర్మాణాన్ని బయటపెట్టారు. X-రే స్ఫటిక నిర్మాణ శాస్త్రం (X-Ray crystallography) గా ఈ అధ్యయనాలు ప్రసిద్ది చెందాయి. ప్రొటీన్లను ద్రవ రూపంలోను, మునస్థితిలోనూ అధ్యయనం చేయటానికి 1980వ దశకంలో కేంద్రక అయస్కాంత అనునాద (Nuclear magnetic Resonance - NMR). స్పెక్ట్రోస్కోపీతో ఎక్స్ రే క్రిస్టలోగ్రఫీని అనుసంధానం చేశారు. ఈ ప్రక్రియ ద్వారా ప్రోటీన్ల నిర్మాణాన్ని తెల్సుకోవటమేగాక అవి ఇతర అణువులతో ఎలా కదులుతాయో ప్రతిస్పందిస్తాయో కూడ కనుక్కోవచ్చు. ఈ రెండు పద్ధతుల్లో ఈ సుగుణం ఉన్నప్పటికీ కొన్ని పరిమితులు లేకపోలేదు.

ద్రవ రూపంలో NMR సాపేక్షంగా. చిన్న ప్రొటీన్లకు మాత్రమే పనిచేస్తుంది. ఎక్స్రే క్రిష్టలోగ్రఫీ అణువులు స్ఫటికరూపంలో నిర్దిష్టంగా ఉంటేనే పనిచేస్తుంది. పాత కెమెరాలతో తీసిన నలుపు తెలుపు చిత్రాల్లో స్పష్టత లోపించి ప్రోటీన్ డైనమిక్స్ ను అర్థం చేసుకోవటానికి అంతగా ఉపయోగపడవు. అంతేగాకుండా చాలా అణువులు స్పటికాలను ఏర్పరచవు. ఈ కారణాల వల్లనే రిచర్డ్ హెండర్సన్ 1970 వ దశకంలో ఎక్స్రే క్రిస్టలోగ్రఫీని వదిలి పెట్టి కొత్త ఆలోచనలు చేశాడు. నిజానికి అప్పుడే 2017 నోబెల్ బహుమతి కథ మొదలైంది.

ఎలక్ట్రాన్ సూక్ష్మదర్శిని (Electron Microscope):

కణపొరల్లో (త్వచాల్లో ఉండే ప్రోటీన్లను అధ్యయనం చేయటం కష్టంతో కూడుకున్న పని. ఎందుకంటే ప్రోటీన్లను పొరల నుండి వేరు చేస్తే నిర్మాణం కుప్పకూలి పనికి రాని ముద్దలా తయారవుతుంది. హెండర్సన్ తొలుత పనిచేసిన త్వచప్రోటీన్ (Membrane Protein) కావల్సినంత ఉత్పత్తి అయ్యేది కాదు. పైగా స్పటికంగా ఏర్పడేది కూడా కాదు. దీనితో హెండర్సన్ ఎలక్ట్రాన్ నూక్ష్మదర్సినిని ప్రత్యామ్నాయంగా ఎంచుకున్నాడు.

ఇది దాదాపు సాధారణ సూక్ష్మదర్శిని వంటిదే. ఇందులో కాంతికి బదులు ఎలక్ట్రాన్ పుంజాన్ని పంపిస్తారు. ఎలక్ట్రాన్ తరంగదైర్యం కాంతి కంటే చాలా తక్కువ కావటంతో చిన్న నిర్మాణాలను కూడా చూసే వీలు కలుగుతుంది. తద్వారా విడి విడి పరమాణువుల స్థానాలను సైతం చూడవచ్చు. త్వచప్రోటీన్ పరమాణు నిర్మాణాన్ని కనొనేందుకు ఎలక్ట్రాన్ సూక్ష్మదర్శిని సామర్థ్యం సరిపోతుంది. కానీ వచ్చిన చిక్కేమిటంటే ఎలక్ట్రాన్ పుంజాన్ని పంపినపుడు జీవ పదార్ధం మాడిపోతుంది. అంతేగాక ఈ సూక్ష్మదర్శిని పనిచేసేందుకు శూన్య ప్రదేశం (వాక్యూమ్) కావాలి. ఈ స్థితిలో జీవాణువుల్లో వుండే నీరు ఆవిరైపోవటం వలన కృశించిపోతాయి. ఎలక్ట్రాన్ల తీవ్రతను తగ్గిస్తే వచ్చే బొమ్మ మబ్బుగా వస్తుంది. ఎండిపోవటం వలన జీవాణువులు వాటి సహజ నిర్మాణాన్ని కోల్పోయి కుప్పకూలి నిరుపయోగమవుతాయి.

ఈ పరిస్థితులు చూస్తే రిచర్డ్ హెండర్సన్ ప్రయత్నాలు విఫలం కావటం ఖాయం. కానీ బాక్టీరియో రోడాప్సిన్ అనే ప్రత్యేక ప్రోటిన్ హెండర్సన్ ను విజయ తీరాలకు నడిపించింది. ఇదొక వంగపండు రంగు ప్రోటీన్. త్వచంలో ఇమిడివుండి సూర్యకాంతిని పట్టుకొంటుంది. ప్రోటీనును త్వచం నుండి వేరు చేయకుండా నేరుగా వంగపండు రంగు త్వచాన్నే ఎలక్ట్రాన్ సూక్ష్మదర్శిని కింద ఉంచి పరిశీలించాడు. దీనిపై గ్లూకోజు ద్రావణం ఉంచాడు. దీనితో నిర్మాణం చెదరలేదు. త్వచం కూడా ఎండిపోలేదు. ఎలక్రాన్ పుంజాలు ప్రోటీన్లన్నింటిపై పడినపుడు అవి వివర్తనం (Diffraction) చెంది ఒక ప్రత్యేక నమూనాల (Pattern) ను ఇస్తాయి. ఇలా పలు కోణాల్లో పరిశీలించి 1975లో ఒక 3-D మోడల్ బాక్టీరియో రోడాప్సిన్ నిర్మాణ చిత్రాన్ని దరిదాపుగా నిర్మించాడు. దీంట్లో 7 సార్లు ప్రోటీన్ గొలుసు త్వచంతో ముడివడి ఉండటాన్ని గమనించవచ్చు ఇది 7 ఆంగ్స్ట్రామ్ల వరకు చూపగలుగుతుంది. కానీ హెండర్సన్ లక్ష్యం 3 ఆంగ్స్టామ్ల సైజు వరకు విశ్లేషించటం!

ఎలక్ట్రాన్ సూక్ష్మదర్శిని కటకాలలో వచ్చిన అభివృద్ది, కణ రసాయనశాస్త్రంలో చోటు చేసుకున్న మార్పులు హెండర్సన్ లక్ష్యాన్ని చేరుకోవటంలో బాగా సహకరించాయి. ద్రవ నత్రజనితో చల్లబర్చటం వలన ఎలక్ట్రాన్ పుంజ వేడి నుండి సాంపుల్ రక్షించబడింది. ఎన్నెన్నో సూక్ష్మదర్శినిలతో ప్రయోగాలు చేసి చిట్టచివరకు 1990 లో (అంటే తాను తొలిమోడల్ చూపించిన 15 ఏళ్ల తర్వాత) రొడాప్సిన్ నిర్మాణాన్ని అణు స్పష్టతతో వెలువరించి తన లక్ష్యాన్ని చేరుకున్నాడు రిచర్డు హెండర్సన్.

మరోకోణంలో జాక్స్ డుబోచెట్ కణత్వచం, ఎలక్ట్రాన్ పుంజంతో ఎండిపోకుండా, ప్రోటీన్ నిర్మాణం చెదరకుండా జీవ సంబంధమైన నమూనాలను నీటిలో కరిగించి లోహ జల్లెడపై పల్చని నీటిపొరను తటాలున శీతలీకరించాడు. ఇలా నీరు గాజు పొరగా ఏర్పడటం ఎలక్ట్రాన్ సూక్ష్మదర్శినిలో పరిశీలనను సులభతరం చేసింది. ఈ పద్దతిలో గుండ్రంగా, షడ్భుజాకారంలో వుండే అనేక రకాలైన వైరస్లకు ఎలక్ట్రాన్ సూక్ష్మదర్శిని చిత్రాలను ఆవిష్కరించాడు.

జోచిమ్, ఫ్రాంక్ ఎలక్ట్రాన్ సూక్ష్మదర్శిని పరిశీలనలలో క్రమరహితంగా వున్న ప్రోటీన్లతో మబ్బుగా లభించిన చిత్రాలకు గణితాత్మక నమూనాను అభివృద్ధి చేశాడు. ఆ నమూనాల ద్వారా కంప్యూటర్ సహాయంతో పునరావృతమయ్యే నమూనా ఆకృతులను కనుగొని, వివరణాత్మకమైన చిత్రాలను ఒకే ప్రోటీన్ కు వేరువేరు కోణాలలో 2-D చిత్రాలకు అల్గారిథమ్స్ రాశాడు, 2D చిత్రాల్లో మధ్య ఒక దానికి మరొక దానికి గల సంబంధం ఆధారంగా 3-D చిత్రాలను పరిశీలించాడు, తాను అభివృద్ధి చేసిన అల్గారిథిమ్స్ ద్వారా నిర్మించిన చిత్రాలు అతిశీతల ఎలక్ట్రాన్ సూక్ష్మదర్శిని తీసిన చిత్రాలు ఒకే విధంగా ఉన్నాయి.

ఎలక్ట్రాన్ సూక్ష్మదర్శినితో ప్రయోగాలు ముందుడుగు వేయటానికి ఈ గణిత నమూనాలు ఎంతగానో తోడ్పడినాయి. అతిశీతల ఎలక్రాన్ సూక్ష్మదర్శిని జీవాణువుల నిర్మాణాన్ని స్పష్టంగా చిత్రీకరించడానికి భిన్న మార్గాల్లో కృషిచేసి మెరుగైన ఫలితాలు సాధించినందుకు ఈ ముగ్గురు శాస్త్రవేత్తలకు 2017 సం. రసాయన శాస్త్ర నోబెల్ పురస్కారం లభించింది.

ఆధారం: ప్రొఫెసర్ కట్టా సత్యప్రసాద్

2.995951417
మీ సూచనను పోస్ట్ చేయండి

(ఈ పేజీ లో ఉన్న కంటెంట్ పై ఏమైన వ్యాఖ్యలు / సలహాలు ఉంటే, ఇక్కడ పోస్ట్ చేయండి)

Enter the word
నావిగేషన్
పైకి వెళ్ళుటకు