জীবন পরিবর্তিত পরিবেশের সাথে খাপ খাইয়ে বিলিয়ন বছরেরও বেশি সময় ধরে বিকশিত হয়েছে। একইভাবে, এনজাইমগুলি – প্রোটিনগুলি কোষগুলিতে বায়োকেমিক্যাল বিক্রিয়াগুলিকে (ক্যাটালাইসিস) গতি বাড়িয়ে তোলে – তাদের হোস্ট জীবের আবাসস্থলের সাথে খাপ খাইয়ে নিয়েছে। প্রতিটি এনজাইমের একটি অনুকূল তাপমাত্রার পরিসীমা রয়েছে যেখানে এর কার্যকারিতা শীর্ষে রয়েছে। মানুষের জন্য, এটি শরীরের স্বাভাবিক তাপমাত্রার কাছাকাছি (37 ডিগ্রি সেন্টিগ্রেড)। এই পরিসীমা থেকে বিচ্যুত হওয়ার ফলে এনজাইম ক্রিয়াকলাপটি ধীর হয়ে যায় এবং শেষ পর্যন্ত থামে। তবে কিছু জীব যেমন ব্যাকটিরিয়ার মতো চরম পরিবেশে সাফল্য লাভ করে, যেমন গরম ঝর্ণা বা হিমশীতল মেরু জলের। এই এক্সট্রিমোফিলগুলি এনজাইমগুলি কঠোর পরিস্থিতিতে কাজ করার জন্য অভিযোজিত রয়েছে।
উদাহরণস্বরূপ, থার্মোফিলস থেকে এনজাইমগুলি, জীবগুলি যা উচ্চ-তাপমাত্রার পরিবেশে সাফল্য লাভ করে, তাপ প্রতিরোধী এবং উচ্চ তাপমাত্রায় ভাল অনুঘটক কার্যকলাপ দেখায়; নিম্ন তাপমাত্রায় উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস। বিপরীতে, মেসোফিলস এবং সাইক্রোফিলস থেকে এনজাইমগুলি, জীব এবং ঠান্ডা পরিবেশে বাস করে এমন জীবগুলি, তাপস্থাপকতার অভাব রয়েছে এবং নিম্ন তাপমাত্রায় উচ্চ অনুঘটক কার্যকলাপ দেখায়।
প্রমাণগুলি প্রমাণ করে যে প্রথম দিকের জীবনের রূপগুলি থার্মোফিল ছিল, যা ধীরে ধীরে পৃথিবী শীতল হওয়ার সাথে সাথে নিম্ন তাপমাত্রায় রূপান্তরিত হয়েছিল। নিম্ন তাপমাত্রায় অনুঘটকভাবে সক্রিয় থাকার একটি এনজাইমের ক্ষমতা তার আণবিক কাঠামোর নমনীয়তার সাথে যুক্ত। যাইহোক, এই অভিযোজনের পিছনে সুনির্দিষ্ট আণবিক প্রক্রিয়াগুলি অস্পষ্ট থেকে যায়। নিম্ন তাপমাত্রায় কাজ করার জন্য কীভাবে থার্মোফিলিক জীব থেকে এনজাইমগুলি বিকশিত হয়েছিল তা বোঝা কেবল বিবর্তনীয় জীববিজ্ঞানের অন্তর্দৃষ্টি সরবরাহ করতে পারে না তবে বিভিন্ন তাপমাত্রার অবস্থার জন্য অনুকূলিত বায়োঞ্জিনিয়ারিং এনজাইমগুলিতে সহায়তা করে।
যেহেতু পৈত্রিক এনজাইমগুলি আর বিদ্যমান নেই, তাই বিজ্ঞানীরা তাদের বিবর্তন অধ্যয়নের জন্য পৈতৃক সিকোয়েন্স পুনর্গঠন (এএসআর) নামে একটি কৌশল ব্যবহার করেন। এএসআর জীবিত প্রজাতি থেকে ফাইলোজেনেটিক্যালি সম্পর্কিত ক্রমগুলি ব্যবহার করে বিলুপ্ত জীবের জেনেটিক বা প্রোটিন সিকোয়েন্সগুলি অনুমান এবং পুনর্গঠনের জন্য জেনেটিক এবং প্রোটিন ইঞ্জিনিয়ারিংয়ের সাথে আণবিক ফাইলোজেনেটিক্সকে একত্রিত করে। 3-আইসোপ্রোপাইলমেট ডিহাইড্রোজেনেস (আইপিএমডিএইচ), লিউসিন বায়োসিন্থেসিসে জড়িত একটি এনজাইম (বিপাকীয় পথ যা লিউসিনকে সংশ্লেষ করে, 20 প্রোটিনোজেনিক অ্যামিনো অ্যাসিডগুলির মধ্যে একটি), এটি তার বিস্তৃত বিবর্তন ইতিহাসের কারণে তাপীয়তা এবং ঠান্ডা অভিযোজন অধ্যয়নের জন্য একটি দুর্দান্ত প্রার্থী।
সে লক্ষ্যে জাপানের ওয়াসেদা বিশ্ববিদ্যালয় থেকে অধ্যাপক সাতোশি আকানুমার নেতৃত্বে একটি গবেষণা দল ওয়াসেদা বিশ্ববিদ্যালয় থেকে সহকারী অধ্যাপক সোটা ইয়াগির সহযোগিতায় ডাঃ সুব্রতা দাশগুপ্ত, এবং ডাঃ শুনসুক তাগামির সহযোগিতায় রাইকেন সেন্টার ফর বায়োসিস্টেমস ডায়নামিক্স রিসার্চ থেকে বিবর্তন উন্নয়নের তদন্ত করেছে। তারা এর বিবর্তনটি সর্বাধিক প্রাচীন থার্মোফিলিক সাধারণ পূর্বপুরুষের এনজাইম থেকে মেসোফিলিক ব্যাকটিরিয়ামে সনাক্ত করেছে তারা শীতল প্রদর্শন এএসআর ব্যবহার করে। তাদের অধ্যয়ন অনলাইনে জার্নালে প্রকাশিত হয়েছিল প্রোটিন বিজ্ঞান ফেব্রুয়ারী 19, 2025।
“আমরা সর্বশেষ সাধারণ ব্যাকটিরিয়া পূর্বপুরুষকে সংযুক্ত করে বিবর্তনীয় ট্র্যাজেক্টোরির সাথে 11 টি মধ্যবর্তী পৈতৃক এনজাইমগুলি পুনর্গঠন করেছি এবং ই কোলি আইপিএমডিএইচ (ইসিআইপিএমডিএইচ)” অ্যাকানাম ব্যাখ্যা করে। “এর পরে, আমরা প্রতিটি বিবর্তনীয় পর্যায়ে এনজাইম ক্রিয়াকলাপের পরিবর্তনগুলি বিশ্লেষণ করেছি, বিশেষত কম তাপমাত্রায় অনুঘটক ক্রিয়াকলাপের উন্নতি“”
তারা 25 ডিগ্রি সেন্টিগ্রেডে অনুঘটক ক্রিয়াকলাপে একটি উল্লেখযোগ্য বৃদ্ধি লক্ষ্য করেছে, যা ধীরে ধীরে, লিনিয়ার প্যাটার্ন অনুসরণ করে না। পরিবর্তে, পঞ্চম (এএনসি 05) এবং ষষ্ঠ (এএনসি 06) মধ্যবর্তী পূর্বপুরুষদের মধ্যে একটি নাটকীয় উন্নতি ঘটেছে।
এনজাইমেটিক দক্ষতায় এই হঠাৎ উত্সাহটি কী কারণে?
অন্তর্নিহিত আণবিক প্রক্রিয়াগুলি সন্ধান করার জন্য, গবেষকরা পৈত্রিক এনজাইমগুলির অ্যামিনো অ্যাসিড সিকোয়েন্সগুলি এবং ব্যবহৃত সাইট-নির্দেশিত মিউটেজেনেসিস, এমন একটি কৌশল যা ডিএনএ এবং প্রোটিন সিকোয়েন্সগুলিতে সুনির্দিষ্ট পরিবর্তনের অনুমতি দেয়। তারা তিনটি কী অ্যামিনো অ্যাসিড বিকল্প চিহ্নিত করেছে যা 25 ডিগ্রি সেন্টিগ্রেডে অনুঘটক কার্যকলাপকে উল্লেখযোগ্যভাবে বাড়িয়ে তোলে। আশ্চর্যের বিষয় হল, এই রূপান্তরগুলি সক্রিয় সাইট থেকে অনেক দূরে ঘটেছিল, পূর্ববর্তী বিশ্বাসকে চ্যালেঞ্জ করে যে তাপমাত্রা অভিযোজনটি প্রাথমিকভাবে সক্রিয়-সাইট পরিবর্তন দ্বারা চালিত হয়।
মলিকুলার ডায়নামিক্স সিমুলেশনগুলি এএনসি 05 এবং এএনসি 06 এর মধ্যে একটি মূল কাঠামোগত পরিবর্তন প্রকাশ করেছে। যদিও এএনসি 05 একটি উন্মুক্ত রূপে রয়ে গেছে, এএনসি 06 একটি আংশিকভাবে বদ্ধ রূপান্তর গ্রহণ করতে পারে, অ্যাক্টিভেশন শক্তি হ্রাস করতে এবং কম তাপমাত্রায় এনজাইমেটিক দক্ষতা বাড়িয়ে তুলতে পারে।
এই রূপান্তরটি 2.5-2.1 বিলিয়ন বছর আগে ঘটেছিল, দুর্দান্ত জারণ ইভেন্টের সাথে মিল রেখে, যা বায়ুমণ্ডলীয় মিথেন এবং গ্লোবাল কুলিংয়ে তীব্র হ্রাস ঘটায়। গবেষকরা পরামর্শ দিয়েছেন যে এই জলবায়ু শিফটটি এনজাইমগুলির অভিযোজনকে নিম্ন তাপমাত্রায় চালিত করতে পারে।
এনজাইম দক্ষতা বাড়ানোর মূল রূপান্তরগুলি সনাক্ত করে, এএসআর পৃথিবীর পরিবর্তিত পরিবেশের প্রতিক্রিয়াতে কীভাবে জীবন বিকশিত হয়েছিল তার মূল্যবান অন্তর্দৃষ্টি সরবরাহ করে। “বিভিন্ন এনজাইমগুলিতে এই পদ্ধতির প্রয়োগ করা গত চার বিলিয়ন বছরে পৃথিবীর পরিবেশগত পরিবর্তনের প্রতিক্রিয়া হিসাবে জীব এবং তাদের এনজাইমগুলি কীভাবে বিকশিত হয়েছে তা প্রকাশ করবে বলে আশা করা হচ্ছে“আকানুমা শেষ হয়েছে।
মৌলিক গবেষণার বাইরেও, এই অনুসন্ধানগুলি বায়োটেকনোলজি, ফার্মাসিউটিক্যালস এবং পরিবেশ বিজ্ঞানে অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য বায়োঞ্জিনিয়ারিং এনজাইমগুলিতে সহায়তা করতে পারে।