Repressilator
રિપ્રેસિલેટર એ આનુવંશિક નિયમનકારી નેટવર્ક છે જેમાં ઓછામાં ઓછા ત્રણ જનીનો સાથે ઓછામાં ઓછી એક પ્રતિક્રિયા લૂપ હોય છે, દરેક પ્રોટીનને વ્યક્ત કરે છે જે લૂપમાં આગામી જનીનને દબાવે છે. જૈવિક સંશોધનમાં, સેલ્યુલર મોડેલ્સ બનાવવા અને સેલ કાર્યને સમજવા માટે રિપ્રેસિલેટરનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. ત્યાં કૃત્રિમ અને કુદરતી રીતે બનતા રિપ્રેસિલેટર બંને છે. તાજેતરમાં, અરેબિડોપ્સિસ થાલિયાના (એ. થાલિયાના) અને સસ્તન પ્રાણીઓની પ્રણાલીઓમાં કુદરતી રીતે બનતું દમનકારી ઘડિયાળ જનીન સર્કિટનો અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો છે. કૃત્રિમ રિપ્રેસિલેટર સૌપ્રથમ 2000 માં માઈકલ એલોવિટ્ઝ અને સ્ટેનિસ્લાસ લીબલર દ્વારા એન્જિનિયર્ડ કરવામાં આવ્યા હતા, જે કોષ ઘટકો અને કાર્યની સરળ પ્રણાલીઓનો અભ્યાસ કરતા અન્ય સંશોધન પ્રોજેક્ટ્સને પૂરક બનાવે છે. કોષના કાર્યને પ્રદાન કરતી રચના અને સેલ્યુલર મિકેનિઝમ્સને સમજવા અને મોડેલ બનાવવા માટે, એલોવિટ્ઝ અને લીબલરે ત્રણ ટ્રાન્સક્રિપ્શનલ રિપ્રેસર સાથે લૂપ ધરાવતું કૃત્રિમ નેટવર્ક બનાવ્યું. આ નેટવર્ક સ્થિર ઓસિલેશન પ્રદર્શિત કરવા માટે શરૂઆતથી ડિઝાઇન કરવામાં આવ્યું હતું જે નિશ્ચિત સમય ગાળા સાથે વિદ્યુત ઓસિલેટર સિસ્ટમની જેમ કાર્ય કરે છે. નેટવર્કને રિકોમ્બિનન્ટ ડીએનએ ટ્રાન્સફર દ્વારા એસ્ચેરીચીયા કોલી (ઇ. કોલી) માં લાગુ કરવામાં આવ્યું હતું. તે પછી તે ચકાસવામાં આવ્યું હતું કે એન્જિનિયર્ડ વસાહતો ખરેખર ઇચ્છિત ઓસિલેટરી વર્તણૂકનું પ્રદર્શન કરે છે. રિપ્રેસિલેટરમાં પ્રતિક્રિયા લૂપમાં જોડાયેલા ત્રણ જનીનો હોય છે, જેમ કે દરેક જનીન લૂપમાં આગામી જનીનને દબાવે છે અને અગાઉના જનીન દ્વારા દબાવી દેવામાં આવે છે. ઇ. કોલીમાં કૃત્રિમ નિવેશમાં, ગ્રીન ફ્લોરોસન્ટ પ્રોટીન (જી. એફ. પી.) નો ઉપયોગ રિપોર્ટર તરીકે કરવામાં આવ્યો હતો જેથી ફ્લોરોસન્સ માઇક્રોસ્કોપીનો ઉપયોગ કરીને નેટવર્કની વર્તણૂકનું નિરીક્ષણ કરી શકાય. રિપ્રેસિલેટરની ડિઝાઇનને વિશ્લેષણના સ્વતંત્ર અને સ્ટોકેસ્ટિક નમૂનાઓ સાથે જૈવિક અને સર્કિટ સિદ્ધાંતો દ્વારા માર્ગદર્શન આપવામાં આવ્યું હતું. છ વિભેદક સમીકરણોનો ઉપયોગ પ્રોટીન અને એમ. આર. એન. એ. સાંદ્રતા, તેમજ યોગ્ય પરિમાણો અને હિલ ગુણાંક મૂલ્યો પર આધારિત દમનકારી પ્રણાલીના ગતિશાસ્ત્રનું નમૂના બનાવવા માટે કરવામાં આવ્યો હતો. અભ્યાસમાં, એલોવિટ્ઝ અને લીબલરે એકીકરણ અને લાક્ષણિક પરિમાણ મૂલ્યો તેમજ સમાન પરિમાણોનો ઉપયોગ કરીને રિપ્રેસિલેટર મોડેલના સ્ટોકેસ્ટિક સંસ્કરણનો ઉપયોગ કરીને રિપ્રેસર પ્રોટીનના ઓસિલેશન દર્શાવતા આંકડાઓ ઉત્પન્ન કર્યા. આ મોડેલોનું વિશ્લેષણ વિવિધ દરના મૂલ્યો નક્કી કરવા માટે કરવામાં આવ્યું હતું જે સતત દોલન આપશે. એવું જાણવા મળ્યું હતું કે કાર્યક્ષમ રાઇબોઝોમ બંધનકર્તા સ્થળો, સહકારી ટ્રાન્સક્રિપ્શનલ રિપ્રેસર અને તુલનાત્મક પ્રોટીન અને એમઆરએનએ ક્ષય દર સાથે જોડાયેલા પ્રમોટરો દ્વારા આ ઓસિલેશનની તરફેણ કરવામાં આવી હતી. આ વિશ્લેષણ બે ડિઝાઇન લક્ષણોને પ્રેરિત કરે છે જે જનીનોમાં એન્જિનિયર્ડ કરવામાં આવ્યા હતા. પ્રથમ, પ્રમોટર પ્રદેશોને વધુ કાર્યક્ષમ હાઇબ્રિડ પ્રમોટર સાથે બદલવામાં આવ્યા હતા જેણે ઇ. કોલી ફેજ લેમ્બડા પીએલ (λ પીએલ) પ્રમોટરને લેક રિપ્રેસર (એલએસીએલ) અને ટેટ રિપ્રેસર (ટેટઆર) ઓપરેટર સિક્વન્સ સાથે જોડ્યું હતું. બીજું, રિપ્રેસર પ્રોટીન અને એમ. આર. એન. એ. ના જીવનકાળ વચ્ચેની અસમાનતાને ઘટાડવા માટે, દરેક રિપ્રેસર જનીનના 3 'છેડે એસ. એસ. આર. એ.-આર. એન. એ. ક્રમ પર આધારિત કાર્બોક્સી ટર્મિનલ ટેગ ઉમેરવામાં આવ્યું હતું. આ ટેગને પ્રોટીઝ દ્વારા ઓળખવામાં આવે છે જે પ્રોટીનને અધોગતિ માટે લક્ષ્ય બનાવે છે. આ ડિઝાઇન ઓછી-નકલ પ્લાઝમિડ એન્કોડિંગ રિપ્રેસિલેટર અને ઉચ્ચ-નકલ રિપોર્ટરનો ઉપયોગ કરીને અમલમાં મૂકવામાં આવી હતી, જેનો ઉપયોગ ઇ. કોલીની સંસ્કૃતિને પરિવર્તિત કરવા માટે કરવામાં આવ્યો હતો. છોડમાં સર્કેડિયન સર્કિટમાં રિપ્રેસિલેટર તરીકે ઓળખાતી ટ્રાન્સક્રિપ્શનલ રેગ્યુલેટરી ફીડબેક લૂપ હોય છે. એ. થાલિયાનામાં કોર ઓસિલેટર લૂપ (ગ્રેમાં દર્શાવેલ) માં, પ્રકાશને પ્રથમ બે ક્રિપ્ટોક્રોમ અને પાંચ ફાયટોક્રોમ દ્વારા અનુભવાય છે. બે ટ્રાન્સક્રિપ્શન પરિબળો, સર્કેડિયન ક્લોક એસોસિએટેડ 1 (સી. સી. એ. 1) અને લેટ એલોંગેટેડ હાયપોકોટાઇલ (એલ. એચ. વાય.), સીએબી એક્સપ્રેશન 1 (ટી. ઓ. સી. 1) નો સમય જેવા સાંજની અભિવ્યક્તિ સાથે સંકળાયેલા જનીનોને દબાવે છે અને તેમના પ્રવર્તકોને બાંધીને સવારની અભિવ્યક્તિ સાથે સંકળાયેલા જનીનોને સક્રિય કરે છે. TOC1, એક સાંજનું જનીન, એક અજ્ઞાત પદ્ધતિ દ્વારા CCA1 અને LHY ને હકારાત્મક રીતે નિયંત્રિત કરે છે. સાંજે તબક્કાવાર ટ્રાન્સક્રિપ્શન પરિબળ સી. સી. એ. 1 હાઇકિંગ એક્સપિડિશન (સી. એચ. ઈ.) અને હિસ્ટોન ડીમીથાઇલેઝ જુમોન્જી સી ડોમેન ધરાવતા 5 (જે. એમ. જે. ડી. 5) સી. સી. એ. 1 ને સીધા દબાવે છે. અન્ય ઘટકો સમગ્ર દિવસ દરમિયાન વ્યક્ત કરવામાં આવે છે અને સર્કેડિયન સર્કિટમાં પરિણામી તત્વને પ્રત્યક્ષ અથવા પરોક્ષ રીતે અટકાવે છે અથવા સક્રિય કરે છે, જેનાથી પ્રતિસાદ લૂપનું જટિલ, મજબૂત અને લવચીક નેટવર્ક બને છે. મોર્નિંગ-ફેઝ એક્સપ્રેશન મોર્નિંગ-ફેઝ એક્સપ્રેશન લૂપ એ. થાલિયાનામાં દિવસ દરમિયાન લયને નિયંત્રિત કરતા જનીનો અને પ્રોટીનનો ઉલ્લેખ કરે છે. બે મુખ્ય જનીનો LHY અને CCA1 છે, જે LHY અને CCA1 ટ્રાન્સક્રિપ્શન પરિબળોને એન્કોડ કરે છે. આ પ્રોટીન હેટેરોડાઇમર બનાવે છે જે ન્યુક્લિયસમાં પ્રવેશ કરે છે અને TOC1 જીન પ્રમોટર સાથે જોડાય છે, જે TOC1 પ્રોટીનના ઉત્પાદનને દબાવી દે છે. જ્યારે TOC1 પ્રોટીન વ્યક્ત કરવામાં આવે છે, ત્યારે તે તેમના અનુલેખનના અવરોધ દ્વારા LHY અને CCA1 નું નિયમન કરે છે. આને પાછળથી 2012 માં ડૉ. એલેક્ઝાન્ડ્રા પોખિલો દ્વારા સમર્થન આપવામાં આવ્યું હતું, જેમણે કોમ્પ્યુટેશનલ વિશ્લેષણનો ઉપયોગ કરીને બતાવ્યું હતું કે TOC1 એ LHY અને CCA1 અભિવ્યક્તિના અવરોધક તરીકે આ ભૂમિકા ભજવી હતી. મોર્નિંગ લૂપ હાઇપોકોટાઇલ વિસ્તરણને અટકાવવાનું કામ કરે છે, જે ઇવનિંગ-ફેઝ લૂપથી વિપરીત છે જે હાઇપોકોટાઇલ વિસ્તરણને પ્રોત્સાહન આપે છે. જ્યારે સાંજના તબક્કાના અભિવ્યક્તિ જનીનોમાં પરિવર્તન થયું હોય ત્યારે સવારના તબક્કાની લૂપ સર્કેડિયન ઓસિલેશનને ટેકો આપવા માટે અસમર્થ હોવાનું દર્શાવવામાં આવ્યું છે, જે આ કુદરતી રીતે બનતા દમનકર્તામાં દરેક ઘટકની પરસ્પર નિર્ભરતા સૂચવે છે. ઇવનિંગ-ફેઝ એક્સપ્રેશન અર્લી ફ્લાવરિંગ 3 (ELF3), અર્લી ફ્લાવરિંગ 4 (ELF4) અને ફાયટોક્લોક 1 (LUX) એ એ. થાલિયાનામાં ઇવનિંગ-ફેઝ્ડ ક્લોક જનીન એક્સપ્રેશનના મુખ્ય ઘટકો છે. તેઓ સાંજનું સંકુલ બનાવે છે, જેમાં LUX ફાયટોક્રોમ ઇન્ટરેક્ટિંગ ફેક્ટર 4 (PIF4) અને ફાયટોક્રોમ ઇન્ટરેક્ટિંગ ફેક્ટર 5 (PIF5) ના પ્રમોટરો સાથે જોડાય છે અને તેમને અટકાવે છે. પરિણામે, વહેલી સાંજે હાયપોકોટાઇલ વિસ્તરણ દબાવી દેવામાં આવે છે. જ્યારે મોડી રાત્રે અવરોધ ઓછો થાય છે, ત્યારે હાયપોકોટાઇલ લંબાય છે. ફોટોપેરિયોડ ફૂલોને આઉટપુટ જનીન ગિગાન્ટીયા (GI) દ્વારા નિયંત્રિત કરવામાં આવે છે. જીઆઇ રાત્રે સક્રિય થાય છે અને કોન્સ્ટન્સ (સીઓ) ની અભિવ્યક્તિને સક્રિય કરે છે, જે ફ્લાવરિંગ લોકસ ટી (એફટી) ની અભિવ્યક્તિને સક્રિય કરે છે. એફટી પછી લાંબા દિવસોમાં ફૂલોનું કારણ બને છે. સસ્તન પ્રાણીઓએ 24 કલાકના સમયગાળા સુધી શરીરવિજ્ઞાન અને વર્તન બંનેનું સંકલન કરવા માટે અંતર્જનિત સમય પદ્ધતિ વિકસાવી છે. 2016 માં, સંશોધકોએ આ પદ્ધતિમાં અનુગામી ત્રણ અવરોધોનો ક્રમ ઓળખી કાઢ્યો હતો જેને તેઓએ રિપ્રેસિલેટર તરીકે ઓળખાવ્યો હતો, જે હવે આ સર્કેડિયન નેટવર્કના મુખ્ય મુખ્ય ઘટક તરીકે કામ કરે છે. આ પ્રણાલીની જરૂરિયાત ક્રિપ્ટોક્રોમ (ક્રાય), સમયગાળો (પ્રતિ) અને રેવ-અર્બ-મુખ્ય સસ્તન ઘડિયાળ જનીનો વચ્ચેના જનીન નોકઆઉટની શ્રેણી દ્વારા સ્થાપિત કરવામાં આવી હતી, જેમના નોકઆઉટ એરિથમિસિટી તરફ દોરી જાય છે. આ સંશોધકોએ જે મોડેલ તૈયાર કર્યું છે તેમાં ઇ-બોક્સ મધ્યસ્થી ટ્રાન્સક્રિપ્શનના ચાલક તરીકે બી. એમ. એલ. 1, અનુક્રમે પ્રારંભિક અને અંતમાં ઇ-બોક્સ રિપ્રેસર તરીકે પર 2 અને ક્રાય 1, તેમજ ડી-બોક્સ રેગ્યુલેટર ડી. બી. પી. અને ન્યુક્લિયર રીસેપ્ટર રેવ-અર્બ-α નો સમાવેશ થાય છે. રેવ-અર્બ, પર અને ક્રાય 1 દ્વારા ક્રમિક અવરોધો સતત ઓસિલેશન પેદા કરી શકે છે, અને આ રિપ્રેસિલેટર ઓસિલેશન સિવાયના અન્ય તમામ ઘટકોને ક્લેમ્પ કરીને સમાન કંપનવિસ્તાર અને સમયગાળા સાથે ચાલુ રહે છે. સંશોધકો દ્વારા બહાર પાડવામાં આવેલી વિવિધ યોજનાઓમાં દર્શાવ્યા મુજબ, તમામ ઓસિલેટિંગ નેટવર્ક્સમાં આ ત્રણ મુખ્ય જનીનોના કોઈપણ સંયોજનનો સમાવેશ થતો હોય તેવું લાગે છે. તાજેતરનું કાર્ય રિપ્રેસિલેટર મોડેલનો ઉપયોગ અન્ય જૈવિક માર્ગો અને પ્રણાલીઓના નમૂના અને અભ્યાસ માટે કરવામાં આવ્યો છે. ત્યારથી, રિપ્રેસિલેટરની મોડેલિંગ ક્ષમતાઓમાં વ્યાપક કામ કરવામાં આવ્યું છે. 2003 માં, રિપ્રેસિલેટરનું પ્રતિનિધિત્વ અને જૈવિક મોડેલોનું માન્યતા, ઘણા ચલો સાથેનું એક મોડેલ હોવાથી, સિમ્પેથિકા સિસ્ટમનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવ્યું હતું, જેણે પુષ્ટિ કરી હતી કે મોડેલ ખરેખર તેની તમામ જટિલતાઓ સાથે દોલન કરે છે. એલોવિટ્ઝ અને લીબલરના મૂળ કાર્યમાં જણાવ્યા મુજબ, રિપ્રેસિલેટર સંશોધન માટેનું અંતિમ લક્ષ્ય એક કૃત્રિમ સર્કેડિયન ઘડિયાળ બનાવવાનું છે જે તેના કુદરતી, અંતર્જનિત પ્રતિરૂપને પ્રતિબિંબિત કરે છે. આમાં જીવનના દરેક ક્ષેત્રમાં મળી શકે તેવા સર્કેડિયન લયને વધુ સારી રીતે સમજવા માટે ઓછા અવાજ અને તાપમાન વળતર સાથે કૃત્રિમ ઘડિયાળ વિકસાવવાનો સમાવેશ થાય છે. સર્કેડિયન લયમાં વિક્ષેપ મેટાબોલિક અને ટ્રાન્સક્રિપ્શનલ પ્રક્રિયાઓમાં લયબદ્ધતાની ખોટ તરફ દોરી શકે છે, અને અલ્ઝાઇમર રોગ જેવા ચોક્કસ ન્યુરોડિજનરેટિવ રોગોની શરૂઆતને પણ ઝડપી બનાવી શકે છે. 2017 માં, ઓસિલેટર કે જે સર્કેડિયન લય પેદા કરે છે અને તાપમાનથી વધુ પ્રભાવિત નથી, તે પ્રયોગશાળામાં બનાવવામાં આવ્યા હતા. પેથોલોજીકલ રીતે, રિપ્રેસિલેટર મોડેલનો ઉપયોગ કોષની વૃદ્ધિ અને કેન્સરના કોષોમાં હાજર હોય તેવી અસામાન્યતાઓનું મોડેલ બનાવવા માટે થઈ શકે છે. આમ કરવાથી, કેન્સરગ્રસ્ત કોષોની સર્કેડિયન પ્રવૃત્તિના આધારે નવી સારવારો વિકસાવી શકાય છે. વધુમાં, 2016 માં, એક સંશોધન ટીમે રિપ્રેસિલેટરની અગાઉની ડિઝાઇનમાં સુધારો કર્યો. ઘોંઘાટ (સિગ્નલ પ્રોસેસિંગ) વિશ્લેષણ પછી, લેખકોએ જી. એફ. પી. રિપોર્ટરની રચનાને રિપ્રેસિલેટર પ્લાઝમિડ પર ખસેડી અને દરેક રિપ્રેસર પ્રોટીનમાંથી એસ. એસ. આર. એ. ડિગ્રેડેશન ટેગને દૂર કરી. આનાથી સમયગાળો લંબાયો અને રિપ્રેસિલેટરના ઓસિલેશનની નિયમિતતામાં સુધારો થયો. 2019 માં, એક અભ્યાસે એક અનન્ય સ્થિર સ્થિતિ અને નવા દર કાર્ય સાથે એક મોડેલ પ્રાપ્ત કરીને રિપ્રેસિલેટર સિસ્ટમમાં સુધારો કરીને એલોવિટ્ઝ અને લીબલરના મોડેલને આગળ વધાર્યું. આ પ્રયોગે દમન અને જનીન નિયમનના વર્તમાન જ્ઞાનને વિસ્તૃત કર્યું. મહત્વ સિન્થેટિક બાયોલોજી ઇ. કોલીમાં સિન્થેટિક ઇન્હિબિશન લૂપ રોપીને કૃત્રિમ રિપ્રેસિલેટરની શોધ કરવામાં આવી હતી. આ જીવતંત્રમાં કૃત્રિમ ઓસિલેશનના પ્રથમ અમલીકરણનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે. આની વધુ અસરોમાં નમૂના સજીવોમાં કૃત્રિમ રીતે ઓસિલેશનના પરિવર્તિત ઘટકોને બચાવવાની સંભાવનાનો સમાવેશ થાય છે. કૃત્રિમ રિપ્રેસિલેટર એ કૃત્રિમ જીવવિજ્ઞાનનું એક સીમાચિહ્નરૂપ છે જે દર્શાવે છે કે આનુવંશિક નિયમનકારી નેટવર્કને નવીન કાર્યો કરવા માટે ડિઝાઇન અને અમલ કરી શકાય છે. જો કે, એવું જાણવા મળ્યું હતું કે કોષોના ઓસિલેશન થોડા સમય પછી તબક્કામાંથી બહાર નીકળી ગયા હતા અને કૃત્રિમ રિપ્રેસિલેટરની પ્રવૃત્તિ કોષની વૃદ્ધિથી પ્રભાવિત હતી. તેથી પ્રારંભિક પ્રયોગે ઘણા સજીવોમાં જોવા મળતી સર્કેડિયન ઘડિયાળને નવી પ્રશંસા આપી, કારણ કે અંતર્જનિત રિપ્રેસિલેટર રોપેલા કૃત્રિમ રિપ્રેસિલેટર કરતાં નોંધપાત્ર રીતે વધુ મજબૂત છે. RIKEN ક્વોન્ટિટેટિવ બાયોલોજી સેન્ટર ખાતેની નવી તપાસમાં જાણવા મળ્યું છે કે એક પ્રોટીન અણુમાં રાસાયણિક ફેરફારો તાપમાન સ્વતંત્ર, સ્વ-ટકાઉ ઓસિલેટર બનાવી શકે છે. કૃત્રિમ રિપ્રેસિલેટર સર્કેડિયન બાયોલોજીથી લઈને એન્ડોક્રિનોલોજી સુધીના ક્ષેત્રોમાં સંશોધન અને સારવારમાં સંભવિત રીતે મદદ કરી શકે છે. તેઓ કુદરતી જૈવિક પ્રણાલીઓમાં સહજ સમન્વય અને તેમને અસર કરતા પરિબળોને દર્શાવવા માટે વધુને વધુ સક્ષમ છે. સર્કેડિયન બાયોલોજી એ. થાલિયાના જેવા અંતર્જનિત, સર્કેડિયન સમય સાથે મોડેલ સજીવોમાં કુદરતી રીતે બનતા દમનકારની વધુ સારી સમજણ, કૃષિમાં, ખાસ કરીને છોડ ઉછેર અને પશુધન વ્યવસ્થાપનના સંદર્ભમાં ઉપયોગી છે. સંદર્ભો બાહ્ય કડીઓ રિપ્રેસિલેટર મોડેલની સીધી કડી અને બાયોમોડેલ્સ ડેટાબેઝમાં વર્ણન R માં રિપ્રેસિલેટરનું સિમ્યુલેશનઃ https://gist.github.com/AndreyAkinshin/37f3e68a1576f9ea1e5c01f2fd64fe5e રિપ્રેસિલેટરનું ઓનલાઇન સિમ્યુલેશનઃ https://www.yschaerli.com/repressilator.html એ. થાલિયાનામાં ફીડબેક લૂપ્સની સિસ્ટમની આકૃતિ CCA1 જનીન અને એ. થાલિયાના સિન્થેટિક બાયોલોજીમાં તેની ભૂમિકા વિશેની માહિતીની સીધી લિંક