Repressilator
ریپریسیلیٹر ایک جینیاتی ریگولیٹری نیٹ ورک ہے جو کم از کم تین جینوں کے ساتھ کم از کم ایک فیڈ بیک لوپ پر مشتمل ہوتا ہے، ہر ایک پروٹین کا اظہار کرتا ہے جو لوپ میں اگلے جین کو دباتا ہے۔ حیاتیاتی تحقیق میں سیلولر ماڈل بنانے اور سیل فنکشن کو سمجھنے کے لیے ریپریسیلیٹرز کا استعمال کیا گیا ہے۔ مصنوعی اور قدرتی طور پر پائے جانے والے ریپریسیلیٹر دونوں موجود ہیں۔ حال ہی میں، عربیڈوپسس تھالیانا (اے تھالیانا) اور ممالیہ نظاموں میں قدرتی طور پر پائے جانے والے ریپریسیلیٹر کلاک جین سرکٹ کا مطالعہ کیا گیا ہے۔ مصنوعی دبانے والے مصنوعی دبانے والے سب سے پہلے 2000 میں مائیکل ایلووٹز اور سٹینسلاس لیبلر نے تیار کیے تھے، جو خلیوں کے اجزاء اور افعال کے سادہ نظاموں کا مطالعہ کرنے والے دیگر تحقیقی منصوبوں کی تکمیل کرتے ہیں۔ سیل کے فنکشن کو یقینی بنانے والے ڈیزائن اور سیلولر میکانزم کو سمجھنے اور ماڈل بنانے کے لیے، ایلووٹز اور لیبلر نے ایک مصنوعی نیٹ ورک بنایا جو تین ٹرانسکرپشنل ریپریسرز کے ساتھ ایک لوپ پر مشتمل تھا۔ اس نیٹ ورک کو شروع سے ایک مستحکم ارتعاش کی نمائش کے لیے ڈیزائن کیا گیا تھا جو مقررہ وقت کے ساتھ برقی ارتعاش کے نظام کی طرح کام کرتا ہے۔ نیٹ ورک کو ایسچریچیا کولی (ای کولی) میں ریکومبیننٹ ڈی این اے ٹرانسفر کے ذریعے نافذ کیا گیا تھا۔ اس کے بعد اس بات کی تصدیق کی گئی کہ انجینئرڈ کالونیوں نے واقعی مطلوبہ ارتعاش رویے کی نمائش کی۔ ریپریسیلیٹر تین جینوں پر مشتمل ہوتا ہے جو ایک فیڈ بیک لوپ میں جڑے ہوتے ہیں، جیسے کہ ہر جین لوپ میں اگلے جین کو دباتا ہے اور پچھلے جین کے ذریعے دبایا جاتا ہے۔ ای کولی میں مصنوعی اندراج میں، گرین فلوروسینٹ پروٹین (جی ایف پی) کو بطور رپورٹر استعمال کیا گیا تاکہ فلوروسینس مائکروسکوپی کا استعمال کرتے ہوئے نیٹ ورک کے رویے کا مشاہدہ کیا جا سکے۔ ریپریسیلیٹر کے ڈیزائن کی رہنمائی حیاتیاتی اور سرکٹ کے اصولوں کے ذریعے تجزیہ کے مجرد اور غیر معمولی نمونوں کے ساتھ کی گئی تھی۔ پروٹین اور ایم آر این اے کے ارتکاز کے ساتھ ساتھ مناسب پیرامیٹر اور ہل گتانک اقدار پر مبنی ریپریسیلیٹر سسٹم کی حرکیات کو ماڈل کرنے کے لیے چھ تفریقی مساوات استعمال کی گئیں۔ مطالعہ میں، ایلووٹز اور لیبلر نے انضمام اور عام پیرامیٹر اقدار کے ساتھ ساتھ اسی طرح کے پیرامیٹرز کا استعمال کرتے ہوئے ریپریسر ماڈل کے اسٹاکسٹک ورژن کا استعمال کرتے ہوئے، ریپریسر پروٹین کے ارتعاش کو ظاہر کرنے والے اعداد و شمار تیار کیے۔ ان ماڈلز کا تجزیہ مختلف شرحوں کی اقدار کا تعین کرنے کے لیے کیا گیا تھا جو ایک مستقل ارتعاش پیدا کریں گے۔ یہ پایا گیا کہ ان ارتعاش کو فروغ دینے والوں نے موثر رائبوسوم بائنڈنگ سائٹس، کوآپریٹو ٹرانسکرپشنل ریپریسرز، اور موازنہ پروٹین اور ایم آر این اے کی خرابی کی شرحوں کے ساتھ مل کر پسند کیا۔ اس تجزیے نے ڈیزائن کی دو خصوصیات کو تحریک دی جنہیں جین میں شامل کیا گیا تھا۔ سب سے پہلے، پروموٹر علاقوں کو ایک زیادہ موثر ہائبرڈ پروموٹر کے ساتھ تبدیل کیا گیا جس نے ای کولی فیج لیمبڈا پی ایل (λ پی ایل) پروموٹر کو لیک ریپریسر (ایل اے سی ایل) اور ٹیٹ ریپریسر (ٹی ٹی آر) آپریٹر سیکوینس کے ساتھ ملایا۔ دوسرا، ریپریسر پروٹین اور ایم آر این اے کی عمر کے درمیان فرق کو کم کرنے کے لیے، ہر ریپریسر جین کے 3 'سرے پر ایس ایس آر اے-آر این اے ترتیب پر مبنی ایک کاربوکسی ٹرمینل ٹیگ شامل کیا گیا۔ اس ٹیگ کو پروٹیسیس کے ذریعے پہچانا جاتا ہے جو پروٹین کو انحطاط کے لیے نشانہ بناتے ہیں۔ اس ڈیزائن کو کم کاپی والے پلازمیڈ کوڈنگ والے ریپریسیلیٹر اور اعلی کاپی والے رپورٹر کا استعمال کرتے ہوئے نافذ کیا گیا تھا، جو ای کولی کی ثقافت کو تبدیل کرنے کے لیے استعمال کیے گئے تھے۔ قدرتی طور پر پائے جانے والے دبانے والے پودے پودوں میں سرکیڈین سرکٹس میں ایک نقل شدہ ریگولیٹری فیڈ بیک لوپ ہوتا ہے جسے دبانے والا کہا جاتا ہے۔ اے تھیلیانا میں کور آسکیلیٹر لوپ (سرمئی رنگ میں بیان کردہ) میں، روشنی کو پہلے دو کرپٹوکروم اور پانچ فائٹوکروم کے ذریعے محسوس کیا جاتا ہے۔ نقل و حمل کے دو عوامل، سرکیڈین کلاک ایسوسی ایٹڈ 1 (سی سی اے 1) اور لیٹ ایلونگیٹڈ ہائپوکوٹائل (ایل ایچ وائی)، شام کے اظہار سے وابستہ جینوں کو دبانے جیسے کہ سی اے بی ایکسپریشن 1 (ٹی او سی 1) کا وقت اور صبح کے اظہار سے وابستہ جینوں کو ان کے پروموٹروں کے پابند کرکے چالو کرتے ہیں۔ ٹی او سی 1، ایک شام کا جین، ایک نامعلوم طریقہ کار کے ذریعے سی سی اے 1 اور ایل ایچ وائی کو مثبت طور پر منظم کرتا ہے۔ شام کے مرحلے کا ٹرانسکرپشن فیکٹر سی سی اے 1 ہائیکنگ ایکسپیڈیشن (سی ایچ ای) اور ہسٹون ڈیمیتھیلیز جمونجی سی ڈومین پر مشتمل 5 (جے ایم جے ڈی 5) براہ راست سی سی اے 1 کو دباتے ہیں۔ دوسرے اجزاء پورے دن ظاہر ہوتے پائے گئے ہیں اور یا تو براہ راست یا بالواسطہ طور پر سرکیڈین سرکٹ میں نتیجے میں عنصر کو روکتے ہیں یا چالو کرتے ہیں، اس طرح فیڈ بیک لوپس کا ایک پیچیدہ، مضبوط اور لچکدار نیٹ ورک تشکیل پاتا ہے۔ مارننگ فیز ایکسپریشن مارننگ فیز ایکسپریشن لوپ سے مراد وہ جین اور پروٹین ہیں جو اے تھیلیانا میں دن کے دوران تال کو منظم کرتے ہیں۔ دو اہم جین ایل ایچ وائی اور سی سی اے 1 ہیں، جو ایل ایچ وائی اور سی سی اے 1 نقل کے عوامل کو انکوڈ کرتے ہیں۔ یہ پروٹین ہیٹروڈائمرز بناتے ہیں جو نیوکلئس میں داخل ہوتے ہیں اور ٹی او سی 1 جین پروموٹر سے جڑے ہوتے ہیں، جس سے ٹی او سی 1 پروٹین کی پیداوار کو دبایا جاتا ہے۔ جب ٹی او سی 1 پروٹین کا اظہار کیا جاتا ہے، تو یہ ایل ایچ وائی اور سی سی اے 1 کو ان کی نقل کی روک تھام کے ذریعے منظم کرنے کا کام کرتا ہے۔ اس کی تائید بعد میں 2012 میں ڈاکٹر الیگزینڈر پوکھیلو نے کی، جنہوں نے کمپیوٹیشنل تجزیے کا استعمال کرتے ہوئے یہ ظاہر کیا کہ ٹی او سی 1 نے ایل ایچ وائی اور سی سی اے 1 کے اظہار کو روکنے والے کے طور پر اس کردار کو انجام دیا۔ مارننگ لوپ ہائپوکوٹائل لمبائی کو روکنے کا کام کرتا ہے، شام کے مرحلے کے لوپ کے برعکس جو ہائپوکوٹائل لمبائی کو فروغ دیتا ہے۔ صبح کے مرحلے کا لوپ سرکیڈین ارتعاش کی حمایت کرنے کے قابل نہیں دکھایا گیا ہے جب شام کے مرحلے کے اظہار جینوں کو تبدیل کیا گیا ہے، جو اس قدرتی طور پر پائے جانے والے دبانے والے میں ہر جزو کے باہمی انحصار کی تجویز کرتا ہے۔ ایوننگ فیز ایکسپریشن ارلی فلاورنگ 3 (ای ایل ایف 3)، ارلی فلاورنگ 4 (ای ایل ایف 4) اور فائٹوکلاک 1 (ایل یو ایکس) اے تھیلیانا میں شام کے مرحلے والے گھڑی جین کے اظہار کے کلیدی عناصر ہیں۔ وہ شام کا کمپلیکس بناتے ہیں، جس میں ایل یو ایکس فائٹوکروم انٹرایکٹنگ فیکٹر 4 (پی آئی ایف 4) اور فائٹوکروم انٹرایکٹنگ فیکٹر 5 (پی آئی ایف 5) کے پروموٹروں سے جڑا رہتا ہے اور انہیں روکتا ہے۔ نتیجے کے طور پر، ہائپوکوٹائل لمبائی کو شام کے اوائل میں دبا دیا جاتا ہے۔ جب رات گئے روک تھام کو کم کیا جاتا ہے، تو ہائپوکوٹائل لمبا ہو جاتا ہے۔ فوٹوپیریوڈ پھولوں کو آؤٹ پٹ جین گیگنٹیا (جی آئی) کے ذریعے کنٹرول کیا جاتا ہے۔ جی آئی رات کو چالو ہوتا ہے اور کانسٹینس (سی او) کے اظہار کو چالو کرتا ہے، جو فلاورنگ لوکس ٹی (ایف ٹی) کے اظہار کو چالو کرتا ہے۔ ایف ٹی پھر طویل دنوں میں پھولنے کا سبب بنتا ہے۔ ممالیہ ممالیہ جانوروں نے 24 گھنٹے کی مدت تک فزیولوجی اور رویے دونوں کو مربوط کرنے کے لیے ایک اینڈوجینس ٹائمنگ میکانزم تیار کیا۔ 2016 میں، محققین نے اس میکانزم کے اندر بعد میں آنے والی تین رکاوٹوں کی ایک ترتیب کی نشاندہی کی جسے انہوں نے ریپریسیلیٹر کے طور پر شناخت کیا، جو اب خیال کیا جاتا ہے کہ اس سرکیڈین نیٹ ورک کے ایک بڑے بنیادی عنصر کے طور پر کام کرتا ہے۔ اس نظام کی ضرورت کرپٹوکروم (کری)، پیریڈ (پر)، اور ریو-ارب-بنیادی ممالیہ گھڑی جینوں کے درمیان جین ناک آؤٹ کے ایک سلسلے کے ذریعے قائم کی گئی تھی جن کے ناک آؤٹ ارتکاز کا باعث بنتے ہیں۔ ان محققین نے جو ماڈل تیار کیا ہے اس میں ای-باکس میڈیٹڈ ٹرانسکرپشن کے ڈرائیور کے طور پر بیمال 1، بالترتیب ابتدائی اور دیر سے ای-باکس ریپریسرز کے طور پر پر پر 2 اور کری 1 کے ساتھ ساتھ ڈی-باکس ریگولیٹر ڈی بی پی اور نیوکلیئر ریسیپٹر ریو-ارب-α شامل ہیں۔ Rev-erb، Per اور Cry1 کی طرف سے ترتیب وار رکاوٹیں مستقل ارتعاش پیدا کر سکتی ہیں، اور اس دبانے والے ارتعاش کے علاوہ دیگر تمام اجزاء کو جکڑ کر اسی طرح کے طول و عرض اور ادوار کے ساتھ برقرار رہتی ہیں۔ ایسا لگتا ہے کہ تمام ارتعاش کرنے والے نیٹ ورکس میں ان تین بنیادی جینوں کا کوئی بھی مجموعہ شامل ہوتا ہے، جیسا کہ محققین کی طرف سے جاری کردہ مختلف اسکیمیٹکس میں دکھایا گیا ہے۔ حالیہ کام ریپریسیلیٹر ماڈل کو دیگر حیاتیاتی راستوں اور نظاموں کے ماڈل اور مطالعہ کے لیے استعمال کیا گیا ہے۔ تب سے، ریپریسیلیٹر کی ماڈلنگ کی صلاحیتوں پر وسیع کام کیا گیا ہے۔ 2003 میں، ریپریسیلیٹر کی نمائندگی اور حیاتیاتی ماڈلز کی توثیق، بہت سے متغیرات کے ساتھ ایک ماڈل ہونے کے ناطے، سمپیتھیکا سسٹم کا استعمال کرتے ہوئے انجام دی گئی، جس نے تصدیق کی کہ ماڈل واقعی اپنی تمام پیچیدگیوں کے ساتھ ارتعاش کرتا ہے۔ جیسا کہ ایلووٹز اور لیبلر کے اصل کام میں بیان کیا گیا ہے، ریپریسیلیٹر ریسرچ کا حتمی مقصد ایک مصنوعی سرکیڈین گھڑی بنانا ہے جو اس کے قدرتی، اینڈوجینس ہم منصب کی عکاسی کرتا ہے۔ اس میں کم شور اور درجہ حرارت کے معاوضے کے ساتھ ایک مصنوعی گھڑی تیار کرنا شامل ہوگا تاکہ زندگی کے ہر شعبے میں پائے جانے والے سرکیڈین تال کو بہتر طریقے سے سمجھا جا سکے۔ سرکیڈین تالوں میں خلل میٹابولک اور ٹرانسکرپشنل عمل میں تال کی کمی کا باعث بن سکتا ہے، اور یہاں تک کہ الزائمر کی بیماری جیسی بعض نیوروڈیجینریٹیو بیماریوں کے آغاز کو تیز کر سکتا ہے۔ 2017 میں، ایسے آسکیلیٹر جو سرکیڈین تال پیدا کرتے ہیں اور درجہ حرارت سے زیادہ متاثر نہیں ہوتے ہیں، ایک لیبارٹری میں بنائے گئے تھے۔ پیتھولوجیکل طور پر، ریپریسیلیٹر ماڈل کو خلیوں کی نشوونما اور پیدا ہونے والی غیر معمولی چیزوں کے ماڈل کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے، جیسے کہ کینسر کے خلیوں میں موجود۔ ایسا کرنے میں، کینسر کے خلیوں کی سرکیڈین سرگرمی کی بنیاد پر نئے علاج تیار کیے جا سکتے ہیں۔ مزید برآں، 2016 میں، ایک تحقیقی ٹیم نے ریپریسیلیٹر کے پچھلے ڈیزائن میں بہتری لائی۔ شور (سگنل پروسیسنگ) تجزیہ کے بعد، مصنفین نے جی ایف پی رپورٹر کی تعمیر کو ریپریسیلیٹر پلازمیڈ پر منتقل کیا اور ہر ریپریسر پروٹین سے ایس ایس آر اے ڈیگریڈیشن ٹیگز کو ہٹا دیا۔ اس سے مدت میں توسیع ہوئی اور ریپریسیلیٹر کے ارتعاش کی باقاعدگی میں بہتری آئی۔ 2019 میں، ایک مطالعہ نے ایک منفرد مستحکم حالت اور نئی شرح فنکشن کے ساتھ ایک ماڈل حاصل کرکے ریپریسیلیٹر سسٹم کو بہتر بنا کر ایلووٹز اور لیبلر کے ماڈل کو آگے بڑھایا۔ اس تجربے نے جبر اور جین کے ضابطے کے موجودہ علم کو وسعت دی۔ اہمیت مصنوعی حیاتیات ای کولی میں مصنوعی روک تھام کے لوپ کو لگا کر مصنوعی ریپریسیلیٹرز دریافت کیے گئے۔ یہ کسی جاندار میں مصنوعی ارتعاش کے پہلے نفاذ کی نمائندگی کرتا ہے۔ اس کے مزید مضمرات میں ماڈل حیاتیات میں مصنوعی طور پر ارتعاش کے تبدیل شدہ اجزاء کو بچانے کا امکان شامل ہے۔ مصنوعی ریپریسیلیٹر مصنوعی حیاتیات کا ایک سنگ میل ہے جو ظاہر کرتا ہے کہ جینیاتی ریگولیٹری نیٹ ورک کو نئے افعال انجام دینے کے لیے ڈیزائن اور نافذ کیا جا سکتا ہے۔ تاہم، یہ پایا گیا کہ خلیوں کے ارتعاش ایک مدت کے بعد مرحلے سے باہر ہو گئے اور مصنوعی دبانے والے کی سرگرمی خلیوں کی نشوونما سے متاثر ہوئی۔ اس لیے ابتدائی تجربے نے بہت سے حیاتیات میں پائی جانے والی سرکیڈین گھڑی کی نئی تعریف کی، کیونکہ اینڈوجینس ریپریسیلیٹرز لگائے گئے مصنوعی ریپریسیلیٹرز سے نمایاں طور پر زیادہ مضبوط ہوتے ہیں۔ RIKEN مقداری حیاتیات مرکز میں نئی تحقیقات سے پتہ چلا ہے کہ ایک واحد پروٹین مالیکیول میں کیمیائی تبدیلیاں درجہ حرارت سے آزاد، خود پائیدار آسکیلیٹر تشکیل دے سکتی ہیں۔ مصنوعی ریپریسیلیٹرس ممکنہ طور پر سرکیڈین بائیولوجی سے لے کر اینڈوکرائنولوجی تک کے شعبوں میں تحقیق اور علاج میں مدد کر سکتے ہیں۔ وہ قدرتی حیاتیاتی نظاموں میں موروثی ہم آہنگی اور ان پر اثر انداز ہونے والے عوامل کو تیزی سے ظاہر کرنے کے قابل ہوتے ہیں۔ سرکیڈین بائیولوجی اینڈوجینس، سرکیڈین اوقات والے ماڈل حیاتیات میں قدرتی طور پر پائے جانے والے ریپریسیلیٹر کی بہتر تفہیم، جیسے اے تھیلیانا، زراعت میں استعمال ہوتی ہے، خاص طور پر پودوں کی پرورش اور مویشیوں کے انتظام کے حوالے سے۔ حوالہ جات بیرونی روابط ریپریسیلیٹر ماڈل کا براہ راست لنک اور بائیو ماڈلز ڈیٹا بیس میں تفصیل آر میں ریپریسیلیٹر کا تخروپن: https://gist.github.com/AndreyAkinshin/37f3e68a1576f9ea1e5c01f2fd64fe5e ریپریسیلیٹر کا ایک آن لائن تخروپن: https://www.yschaerli.com/repressilator.html اے تھیلیانا میں فیڈ بیک لوپس کے نظام کا ایک خاکہ سی سی اے 1 جین اور اے تھیلیانا مصنوعی حیاتیات میں اس کے کردار کے بارے میں معلومات کا براہ راست لنک