इरोड एन प्रभाकरन की प्रयोगशाला जीव विज्ञान में समस्याओं को हल करने के लिए कार्बनिक रसायन विज्ञान का उपयोग करके लघु प्रोटीन मॉडल तैयार करती है

इरोड एन प्रभाकरन को चेन्नई के गिल आदर्श में अपने माध्यमिक विद्यालय के दिनों से ही विज्ञान में रुचि थी। लेकिन यह उनकी 11वीं कक्षा की शिक्षिका कावेरी पद्मनाभन थीं, जिनके रसायन विज्ञान के प्रति सरल दृष्टिकोण ने इस विषय में उनकी रुचि को और मजबूत किया। प्रभाकरन, जो अब आईआईएससी के ऑर्गेनिक केमिस्ट्री विभाग में एसोसिएट प्रोफेसर हैं, कहते हैं, “मैं यहां संकाय सदस्य बनने के बाद उनसे मिलने गया … उनका धन्यवाद करने के लिए।”

पुट्टपर्थी में श्री सत्य साईं इंस्टीट्यूट ऑफ हायर लर्निंग में मास्टर डिग्री की पढ़ाई के दौरान प्रभाकरन का रसायन विज्ञान – विशेष रूप से कार्बनिक रसायन विज्ञान – के प्रति आकर्षण बढ़ता रहा। प्रभाकरन कहते हैं कि वहां उनके रोल मॉडल प्रोफेसर एनआर कृष्णास्वामी थे, जिनकी रासायनिक परिवर्तनों और संश्लेषण की शिक्षा “कविता की तरह थी। अपने मास्टर्स प्रोजेक्ट के लिए, प्रभाकरन ने मूंगफली की किस्मों पर कृष्ण तुलसी के अर्क के प्रभावों का अध्ययन किया, और रसायन विज्ञान में समग्र उत्कृष्टता के लिए स्वर्ण पदक अर्जित किया।

सीएसआईआर और गेट परीक्षा पास करने के बाद, उन्हें आईआईटी कानपुर में प्रख्यात पेप्टाइड रसायनज्ञ जावेद इकबाल की देखरेख में पीएचडी करने के लिए चुना गया। कोबाल्ट उत्प्रेरक-मध्यस्थता ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाओं और संभावित एचआईवी-1 प्रोटीज़ अवरोधकों के संश्लेषण पर उनके शोध ने जैव रासायनिक समस्याओं को लक्षित करने के लिए सिंथेटिक कार्बनिक सिद्धांतों को लागू करने के लिए एक मजबूत नींव रखने में मदद की। अपनी पीएचडी के बाद, उन्होंने जेफरी जॉनस्टन के साथ इंडियाना विश्वविद्यालय, ब्लूमिंगटन में बोह्रिंजर-इंगेलहेम पोस्ट-डॉक्टोरल फेलोशिप प्राप्त की, और बाद में टेक्सास ए एंड एम विश्वविद्यालय में मार्टिन स्कोल्ट्ज़ और निक पेस के साथ एनआईएच वैज्ञानिक के रूप में काम किया। वहां, वह सबसे पहले माइक्रोबियल आरएनएएस – एक जीवाणु एंजाइम जो आरएनए को तोड़ता है – को डिजाइन करने में शामिल था, ताकि इसे चुनिंदा रूप से लक्षित किया जा सके और स्तनधारी कैंसर कोशिकाओं को मार दिया जा सके। उन्होंने कहा कि इस दौरान, उन्होंने प्रोटीन रसायन विज्ञान में चुनौतियों से निपटने के लिए सिंथेटिक कार्बनिक तरीकों का उपयोग करने के लिए कई अवधारणाएँ विकसित कीं।

टेक्सास एएंडएम में अपना कार्यकाल पूरा करने के बाद, प्रभाकरन ने 2006 में खुद को भारतीय विज्ञान संस्थान (आईआईएससी) से संबद्ध कर लिया। उनकी शोध टीम मुख्य रूप से पेप्टाइड फोल्डिंग के माध्यम से प्रोटीन संरचना के अंतर्निहित सिद्धांतों की जांच करने में लगी हुई है। इसमें सिंथेटिक ऑर्गेनिक केमिस्ट्री विधियों के माध्यम से पेप्टाइड्स नामक छोटे प्रोटीन श्रृंखला प्रतिकृतियों का प्रयोगशाला संश्लेषण शामिल है। टीम इन प्रतिकृतियों का लाभ उठाती है, जिन्हें पेप्टिडोमिमिक्स के रूप में जाना जाता है, ताकि उनके प्राकृतिक समकक्षों की संरचना और कार्य को स्पष्ट किया जा सके, जिसमें स्पेक्ट्रोस्कोपिक, कैलोरीमेट्रिक और स्कैटरिंग तकनीकों की एक विविध श्रेणी का उपयोग किया जाता है।

प्रोटीन या पॉलीपेप्टाइड्स पेप्टाइड बॉन्ड का उपयोग करके एक साथ जुड़ी हुई रैखिक श्रृंखलाएं हैं, जो काफी हद तक कठोर होती हैं। प्रभाकरन कहते हैं, “लेकिन किसी भी अमीनो एसिड अवशेष की रीढ़ की हड्डी के साथ दो अन्य बॉन्ड होते हैं जो विकसित प्रोटीन श्रृंखला को एक बड़े पैमाने पर कॉम्पैक्ट संरचना में मोड़ने के लिए कुछ कोणों पर मुड़ सकते हैं और हिल सकते हैं।” वर्ष 1963 में, प्रसिद्ध जैवभौतिकीविद् जी.एन. रामचंद्रन ने दिखाया था कि प्रत्येक अमीनो एसिड अवशेष के ये मोड़ कोण, जब ग्राफ पर अंकित किए जाते हैं, तो सम्पूर्ण क्षेत्र का केवल एक छोटा सा भाग ही घेरते हैं। इसका मतलब यह था कि पेप्टाइड्स के पास एक सीमित स्थान होता है जिसके भीतर वे स्थिर अवस्था में रह सकते हैं और कुछ “अस्वीकृत” संरचनाओं में मौजूद नहीं रह सकते। प्रभाकरन बताते हैं, “मूल रूप से, परमाणु बिलियर्ड्स बॉल की तरह होते हैं – वे एक-दूसरे के स्थान का अतिक्रमण नहीं कर सकते।” लेकिन सवाल बने रहे: कुछ प्रोटीन में इन निषिद्ध संरचनाओं की उत्पत्ति क्या है? निषिद्ध संरचना में अवशेष वाले प्रोटीन पर क्या परिणाम होते हैं?

यह जानने के लिए, प्रभाकरन और उनकी टीम ने अल्फा-अमीनो आइसोब्यूटिरिक एसिड (अमीनो एसिड प्रोटीन के निर्माण खंड हैं) नामक अमीनो एसिड की एक छोटी प्रतिकृति तैयार की। उन्होंने एक एमाइड समूह से एक हाइड्रोजन परमाणु को हटाकर उसे ऑक्साज़ीन समूह बनाकर एक अस्वीकृत संरचना को प्रेरित किया। इसने अमीनो एसिड को अस्वीकृत संरचना में स्थिर कर दिया। उन्होंने अध्ययन किया कि अलग-अलग प्रोटीन फोल्ड में रखे जाने पर यह अमीनो एसिड कैसा व्यवहार करेगा। उन्होंने पाया कि भले ही प्रोटीन में अस्वीकृत संरचना वाला अमीनो एसिड हो, इससे प्रोटीन के मुड़ने के तरीके में बाधा उत्पन्न नहीं होती, लेकिन संशोधित अमीनो एसिड अवशेष आसपास के अन्य अवशेषों में छोटे संरचनात्मक परिवर्तन पैदा करता है। प्रभाकरन कहते हैं, “इन परिणामों का बहुत महत्व है क्योंकि वे क्रिस्टलों में देखी गई अस्वीकार्य संरचनाओं को मान्य करने का एक तरीका प्रदान करते हैं – संरचनाओं को स्थिर करने वाली स्थानीय अंतःक्रियाओं को देखकर।”

इसी प्रकार, उनके समूह ने एन-एसाइल होमोसरीन लैक्टोन में संरचना-गतिविधि संबंध पर भी काम किया है, जो कि क्वोरम सेंसिंग में शामिल अणु हैं – जो कि कुछ बैक्टीरिया में कोशिका संकेतन का एक प्रकार है। एनालॉग्स का उपयोग करके इन लैक्टोनों की संरचना और क्रियाविधि को स्पष्ट करके, उनकी टीम ने आणविक संरचना में सबसे उपयुक्त बिंदुओं को निर्धारित किया जिन्हें विविधताओं के लिए लक्षित किया जा सकता है, ताकि उन्हें संभावित रूप से जीवाणुनाशक अणुओं और ऊतक इंजीनियरिंग में इस्तेमाल किया जा सके।

एक अन्य क्षेत्र जिस पर उनकी प्रयोगशाला ध्यान केंद्रित करती है, वह है पेप्टाइड्स के सीआईएस और ट्रांस आइसोमर्स में अंतराआणविक बलों का अध्ययन – जुड़वां रूप जिनमें परमाणुओं की संख्या समान होती है लेकिन संरचनात्मक रूप से भिन्न दिखते हैं। टीम ऐसे अणुओं का निर्माण करती है जो सीआईएस और ट्रांस रूपों के बीच सटीक संतुलन प्राप्त करते हैं, जो दवा के विकास, प्रोटीन और पेप्टाइड संरचनाओं में परिवर्तन और बायोमास को ऊर्जा में बदलने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। प्रभाकरन के अनुसार, हमारे समूह को इस संतुलन को विनियमित करने और दुर्लभ सीआईएस रूप को बढ़ावा देने में अग्रणी अधिकारियों में से एक माना जाता है, विशेष रूप से अमीनो एसिड प्रोलाइन के संबंध में। उनके समूह ने पिछले दृष्टिकोण की तुलना में एक अलग तरीके से, प्रोलाइन के स्थिर सीआईएस पेप्टाइड्स बनाए हैं। जबकि अन्य तरीकों से प्रोलाइन के मुख्य वलय में महत्वपूर्ण परिवर्तन किया जाता है, प्रभाकरन और उनकी टीम ने वलय के चारों ओर परमाणुओं की स्थानिक व्यवस्था को बदल दिया, जिससे एक स्थिर सीआईएस रूप का निर्माण हुआ। इसी दृष्टिकोण का उपयोग करते हुए, समूह ने कई संरचनाओं को सुलभ बना दिया है जिन्हें पहले दुर्गम माना जाता था, लेकिन अब वे कैम्ब्रिज क्रिस्टलोग्राफिक डेटा सेंटर (सीसीडीसी) में उपलब्ध हैं, जो कार्बनिक अणुओं की क्रिस्टल संरचनाओं का दुनिया का सबसे बड़ा डेटाबेस है।

प्रभाकरन की प्रयोगशाला में अनुसंधान का वर्तमान फोकस पेप्टाइड हाइड्रोजन बॉन्ड के लिए अत्यधिक कुशल सहसंयोजक प्रतिस्थापनों का डिजाइन और संश्लेषण है, जो पेप्टाइड्स में प्राकृतिक रूप से मौजूद हाइड्रोजन बॉन्ड का स्थान ले सकते हैं। इनका उपयोग करते हुए, टीम अल्फा-हेलिक्स टर्न पेप्टाइड नकल का निर्माण करती है और विस्तार से, अल्फा-हेलिक्स और बीटा शीट्स के प्रयोगशाला-स्तरीय मॉडल बनाती है – मूल संरचनाएं जो सभी प्रोटीनों में पाई जाती हैं। उन्होंने विभिन्न कैंसरों में शामिल अल्फा-हेलिक्स इंटरफेस और प्रोटीन की नकलें बनाई हैं। उन्होंने ACE2 प्रोटीन के कोर डोमेन की नकलें भी बनाई हैं जो SARS-CoV-2 के स्पाइक प्रोटीन से जुड़ती हैं। प्रभाकरन कहते हैं, “ये प्रमुख अणु हैं जिन्हें विभिन्न कैंसर के खिलाफ संभावित उपचार के रूप में और कोविड-19 के खिलाफ दवाओं के डिजाइन के लिए संशोधित किया जा रहा है।” इसी तरह, उनके β-शीट टेम्पलेट्स के उपयोग ने अल्जाइमर और हंटिंगटन रोग सहित न्यूरोडीजेनेरेटिव विकारों से जुड़े पेप्टाइड्स के विशेष विन्यासों, जिन्हें मोनोमेरिक विन्यास के रूप में जाना जाता है, के प्रारंभिक स्पेक्ट्रोस्कोपिक लक्षण वर्णन को सक्षम किया है। उनकी टीम ने बायोसेंसिंग, नैनोइलेक्ट्रॉनिक्स और प्रतिदीप्ति इमेजिंग में अनुप्रयोगों के लिए सोने के माइक्रोरोड भी विकसित किए हैं।

प्रभाकरन के अनुसार, इन अणुओं को डिजाइन करना चुनौतीपूर्ण है। “एक मॉडल पेप्टाइड बनाने के लिए, आपको इसके प्रत्येक संरचनात्मक पहलुओं के साथ छेड़छाड़ शुरू करने की आवश्यकता है … आप रासायनिक रूप से कहीं एक गाँठ बाँधते हैं, आप कहीं एक बांड खींचते हैं, आप कहीं एक मजबूत क्लिक कनेक्शन बनाते हैं।

प्रभाकरन सुबह जल्दी उठते हैं, आमतौर पर सुबह 3.30 बजे तक। एक सामान्य दिन की शुरुआत अपने छात्रों द्वारा पिछले दिन साझा किए गए डेटा का विश्लेषण करने और आगे के प्रयोगों के लिए सुझाव देने से होती है।

प्रभाकरन अपने छात्रों के साथ नियमित रूप से मिलना पसंद करते हैं और डेटा विश्लेषण और उसके निष्कर्षों के बारे में उनसे बातचीत करके खुशी महसूस करते हैं। वे कहते हैं, “इसमें बहुत ज़्यादा आदान-प्रदान होता है जिससे हम सभी बहुत कुछ सीखते हैं।” अपनी शोध गतिविधियों के अतिरिक्त, वह संस्थान एनएमआर सुविधा (आईएनएफ) और परिष्कृत विश्लेषणात्मक उपकरण सुविधा (एसएआईएफ) के संयोजक के रूप में अपनी भूमिका से जुड़ी जिम्मेदारियों का प्रबंधन करते हैं, साथ ही आईआईएससी में आगामी हीलियम रिकवरी प्लांट की स्थापना की देखरेख भी करते हैं। वह संस्थान में सुविधाओं और कल्याण समितियों के सदस्य भी हैं। इसके अलावा, उन्होंने भारत की नई शिक्षा नीति तैयार करने में शामिल कर्नाटक से योजना समिति के सदस्य के रूप में भी काम किया है।

अपने खाली समय में, प्रभाकरन कई तरह के शौक अपनाते हैं जो उन्हें तनावमुक्त करने में मदद करते हैं। उनकी गतिविधियों में वेदों और शास्त्रों का पाठ करना और पढ़ाना, मृदंग बजाना, संगीत रचना और रेखाचित्र बनाना शामिल है। वह अपनी डेस्क के पीछे दीवार पर सजी एक शेरनी की पेंसिल स्केच की ओर ध्यान आकर्षित करते हैं, जो उनके इस विश्वास को दर्शाता है कि “आराम करना जंग लगना है।”