न्यूक्लिक एसिड डिजाइन

न्यूक्लिक एसिड डिजाइन न्यूक्लिक एसिड बेस अनुक्रमों का एक समूह उत्पन्न करने की प्रक्रिया है जो वांछित संरचना में संबद्ध होगा। न्यूक्लिक एसिड डिजाइन डीएनए नैनो टेक्नोलॉजी और डीएनए संगणना के क्षेत्र में केंद्रीय है। यह आवश्यक है क्योंकि न्यूक्लिक एसिड स्ट्रैंड्स के कई संभावित न्यूक्लिक एसिड अनुक्रम हैं, जो किसी दिए गए द्वितीयक संरचना में बदल जाएंगे,परन्तु इनमें से कई अनुक्रमों में अवांछित अतिरिक्त अंतःक्रियाएं होंगी जिनसे बचा जाना चाहिए। इसके अतिरिक्त, कई न्यूक्लिक एसिड तृतीयक संरचना महत्त्व हैं जो किसी दिए गए डिज़ाइन के लिए द्वितीयक संरचना के विकल्प को प्रभावित करते हैं।

न्यूक्लिक एसिड डिज़ाइन के प्रोटीन डिजाइन के समान उद्देश्य हैं: दोनों में, एकलक के अनुक्रम को तर्कसंगत रूप से वांछित तह या संबद्ध संरचना के पक्ष में और वैकल्पिक संरचनाओं को नापसंद करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यद्यपि, न्यूक्लीक एसिड डिजाइन का लाभ अभिकलनीयतः रूप से सरल समस्या होने का है, क्योंकि वाटसन-क्रिक बेस पेयरिंग नियमों की प्रकृति सरल अनुमानी विधियों की ओर ले जाती है जो प्रयोगात्मक रूप से मजबूत डिजाइन देती हैं। प्रोटीन वलन के लिए अभिकलनात्मक मॉडल में प्रोटीन तृतीयक संरचना की सूचना की आवश्यकता होती है जबकि न्यूक्लिक एसिड डिज़ाइन मुख्य रूप से माध्यमिक संरचना के स्तर पर बड़े पैमाने पर काम कर सकता है। यद्यपि, न्यूक्लिक एसिड संरचनाएं प्रोटीन की तुलना में उनकी कार्यक्षमता में कम परिवर्तनशील हैं।

न्यूक्लिक एसिड डिज़ाइन को न्यूक्लिक एसिड संरचना की भविष्यवाणी का विलोम माना जा सकता है। संरचना की भविष्यवाणी में, संरचना एक ज्ञात अनुक्रम से निर्धारित होती है, जबकि न्यूक्लिक एसिड डिज़ाइन में, एक अनुक्रम उत्पन्न होता है जो वांछित संरचना का निर्माण करेगा।

मौलिक अवधारणाएँ
न्यूक्लिक एसिड संरचना में न्यूक्लियोटाइड का एक क्रम होता है। चार प्रकार के न्यूक्लियोटाइड होते हैं, जिनमें चार न्यूक्लियोबेस होते हैं: डीएनए में ये एडेनिन (A), साइटोसिन (C), गुआनिन (G), और थाइमिन (T) हैं। न्यूक्लिक एसिड में यह गुण होता है कि दो अणु एक दूसरे से जुड़कर एक दोहरी कुंडली बनाते हैं, यदि दो अनुक्रम पूरकता (आणविक जीव विज्ञान) हैं, अर्थात वे आधार जोड़े के मिलान क्रम बना सकते हैं। इस प्रकार, न्यूक्लिक एसिड में अनुक्रम बंधन के प्रतिरुप और इस प्रकार समग्र संरचना को निर्धारित करता है। न्यूक्लिक एसिड डिज़ाइन वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा वांछित क्षेत्र संरचना या कार्यक्षमता दी जाती है, न्यूक्लिक एसिड स्ट्रैंड्स के लिए अनुक्रम उत्पन्न होते हैं जो उस क्षेत्र संरचना में स्वयं को एकत्र करेंगे। न्यूक्लिक एसिड डिजाइन डीएनए संरचना के सभी स्तरों को सम्मिलित करता है:


 * न्यूक्लिक एसिड प्राथमिक संरचना- प्रत्येक घटक न्यूक्लिक एसिड स्ट्रैंड्स के न्यूक्लियोबेस का अनिर्मित अनुक्रम,
 * न्यूक्लिक एसिड माध्यमिक संरचना - आधारों के बीच अंतःक्रियाओं का समूह, अर्थात, कौन से अवयव एक दूसरे से बंधे हैं, तथा
 * न्यूक्लिक एसिड तृतीयक संरचना - तीन आयामी स्थान में परमाणुओं के स्थान, ज्यामितीय और स्टेरिक प्रभाव बाधाओं को ध्यान में रखते हुए।

न्यूक्लिक एसिड डिजाइन में सबसे बड़ी चिंताओं में से यह सुनिश्चित करना है कि क्षेत्र संरचना में सबसे कम मुक्त ऊर्जा है (अर्थात सबसे ऊष्मागतिक रूप से अनुकूल है) जबकि विकृत संरचनाओं में मुक्त ऊर्जा के उच्च महत्व हैं और इस प्रकार प्रतिकूल हैं।

इन उद्येश्यों को कई दृष्टिकोणों के उपयोग के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है, जिनमें ह्यूरिस्टिक, ऊष्मागतिक और ज्यामितीय सम्मिलित हैं। प्राय: सभी न्यूक्लिक एसिड डिज़ाइन कार्य संगणक द्वारा सहायता प्राप्त होते हैं, और इनमें से कई कार्यों के लिए कई सॉफ्टवेयर संकुल उपलब्ध हैं।

न्यूक्लिक एसिड डिज़ाइन में दो विचार यह हैं कि वांछित संकरण में एक संकीर्ण सीमा में पिघलने का तापमान होना चाहिए, और किसी भी अवांछित अंतःक्रिया में बहुत कम पिघलने का तापमान होना चाहिए (अर्थात उन्हें बहुत कमजोर होना चाहिए)। आत्मीयता-अनुकूलन सकारात्मक डिजाइन के बीच एक अंतर भी है, वांछित संरचना की ऊर्जा को पूर्ण रूप से कम करने का प्रयास करता है, और विशिष्टता-अनुकूलन नकारात्मक डिजाइन, जो अवांछित संरचनाओं के सापेक्ष क्षेत्र संरचना की ऊर्जा पर विचार करता है। कलन विधि जो दोनों प्रकार के डिज़ाइन को लागू करते हैं, उन लोगों की तुलना में श्रेष्ठ प्रदर्शन करते हैं जो केवल एक प्रकार पर विचार करते हैं।

अनुमानी पद्धति
अनुमानी पद्धतियाँ सरल मानदंडों का उपयोग करती हैं जिनका किसी दिए गए माध्यमिक संरचना के लिए विभिन्न अनुक्रमों की उपयुक्तता का न्याय करने के लिए शीघ्रता से मूल्यांकन किया जा सकता है। उनके पास ऊष्मागतिक या ज्यामितीय प्रतिरूपण के लिए आवश्यक ऊर्जा न्यूनीकरण कलन विधि की तुलना में बहुत कम अभिकलनीयतः रूप से महंगा होने और लागू करने में आसान होने का लाभ है, परन्तु इन मॉडलों की तुलना में कम कठोर होने की कीमत पर।

अनुक्रम समरूपता न्यूनीकरण न्यूक्लिक एसिड डिजाइन की सबसे प्राचीन विधि है और इसका उपयोग सबसे पहले शाखित डीएनए संरचनाओं के स्थिर संस्करणों को डिजाइन करने के लिए किया गया था। अनुक्रम समरूपता न्यूनीकरण न्यूक्लिक एसिड अनुक्रम को एक निश्चित लंबाई के अतिव्यापी बाद में विभाजित करता है, जिसे मानदंड की लंबाई कहा जाता है। लंबाई N के 4N संभावित अनुवर्ती अनुक्रम में केवल एक बार प्रकट होने की अनुमति है। यह सुनिश्चित करता है कि कोई भी अवांछित संकरण नहीं हो सकता है जिसकी लंबाई मानदंड की लंबाई से अधिक या उसके बराबर हो।

एक संबंधित अनुमानी दृष्टिकोण असंतुलित दूरी पर विचार करना है, जिसका अर्थ है एक निश्चित दशा में पदों की संख्या जहां आधार पूरकता (आणविक जीव विज्ञान) नहीं हैं। एक बड़ी असंतुलित दूरी इस संभावना को कम करती है कि एक मजबूत अवांछित अंतःक्रिया हो सकती है। यह सूचना सिद्धांत में हैमिंग दूरी की अवधारणा से संबंधित है। वांछित गुणों के साथ न्यूक्लिक एसिड अनुक्रमों का निर्माण करने के लिए संकेतन सिद्धांत से विधियों का उपयोग करना एक अन्य संबंधित लेकिन अधिक सम्मिलित दृष्टिकोण है।

ऊष्मागतिक मॉडल
न्यूक्लिक एसिड कॉम्प्लेक्स की न्यूक्लिक एसिड माध्यमिक संरचना के बारे में सूचना के साथ-साथ इसके अनुक्रम का उपयोग कॉम्प्लेक्स के ऊष्मप्रवैगिकी गुणों की भविष्यवाणी करने के लिए किया जा सकता है।

जब न्यूक्लिक एसिड डिजाइन में ऊष्मागतिक मॉडल का उपयोग किया जाता है, तो प्रायः दो विचार होते हैं: वांछित संकरण में एक संकीर्ण सीमा में पिघलने का तापमान होना चाहिए, और किसी भी अवांछित अंतःक्रिया में बहुत कम पिघलने का तापमान होना चाहिए (अर्थात उन्हें बहुत कमजोर होना चाहिए)। निकटतम-ऊष्मागतिक मापदंडों का उपयोग करके पूरी तरह से मेल खाने वाले न्यूक्लिक एसिड डुप्लेक्स की गिब्स मुक्त ऊर्जा की भविष्यवाणी की जा सकती है। यह मॉडल डुप्लेक्स के अतिव्यापी दो-न्यूक्लियोटाइड उपशब्दों में से प्रत्येक की मुक्त ऊर्जा को जोड़कर, न्यूक्लिक एसिड स्ट्रैंड पर केवल एक न्यूक्लियोटाइड और उसके निकटतम के बीच अंतःक्रिया पर विचार करता है। इसके बाद इसे स्व-पूरक एकलक और GC-प्रकरण के लिए ठीक किया जाता है। एक बार मुक्त ऊर्जा ज्ञात हो जाने के बाद, डुप्लेक्स का गलनांक निर्धारित किया जा सकता है। न्यूक्लिक एसिड डुप्लेक्स की मुक्त ऊर्जा और पिघलने के तापमान का अनुमान लगाने के लिए अकेले GC-प्रकरण का भी उपयोग किया जा सकता है। यह कम यथार्थ है परन्तु अभिकलनीयतः रूप से कम खर्चीला भी है।

न्यूक्लिक एसिड के ऊष्मागतिक प्रतिरूपण के लिए सॉफ्टवेयर में नूपैक, mfold/UNAFold, और वियना सम्मिलित है.

एक संबंधित दृष्टिकोण, व्युत्क्रम माध्यमिक संरचना भविष्यवाणी, स्टोकेस्टिक स्थानीय खोज का उपयोग करता है जो न्यूक्लिक एसिड संरचना भविष्यवाणी कलन विधि चलाकर और अवांछित सुविधाओं को समाप्त करने के लिए अनुक्रम को संशोधित करके न्यूक्लिक एसिड अनुक्रम में सुधार करता है।

ज्यामितीय मॉडल
न्यूक्लिक एसिड तृतीयक संरचना की भविष्यवाणी करने के लिए न्यूक्लिक एसिड के ज्यामितीय मॉडल का उपयोग किया जाता है। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि डिज़ाइन किए गए न्यूक्लिक एसिड कॉम्प्लेक्स में प्रायः कई संयोजन बिंदु होते हैं, जो प्रणाली में ज्यामितीय बाधाओं का परिचय देते हैं। ये बाधाएँ मूल न्यूक्लिक एसिड संरचना से उपजी हैं, मुख्य रूप से न्यूक्लिक एसिड डुप्लेक्स द्वारा गठित दोहरे हेलिक्स में प्राय: 10.4 बेस जोड़े प्रति मोड़ की एक निश्चित हेलिसिटी है, और दृढ़ता की लंबाई है। इन बाधाओं के कारण, न्यूक्लिक एसिड कॉम्प्लेक्स संयोजन बिंदुओं पर डीएनए प्रमुख और साधरण के सापेक्ष अभिविन्यास के प्रति संवेदनशील हैं। ज्यामितीय प्रतिरूपण संरचना में अपसंरेखण से तनाव (रसायन विज्ञान) का पता लगा सकता है, जिसे बाद में डिजाइनर द्वारा ठीक किया जा सकता है।

डीएनए नैनोटेक्नोलॉजी के लिए न्यूक्लिक एसिड के ज्यामितीय मॉडल सामान्यतः न्यूक्लिक एसिड के कम प्रतिनिधित्व का उपयोग करते हैं, क्योंकि इस तरह के बड़े प्रणाली के लिए प्रत्येक परमाणु का अनुकरण करना बहुत अभिकलनीयतः रूप से महंगा होगा। प्रति आधार जोड़ी तीन छद्म-परमाणु वाले मॉडल, दो रीढ़ की हड्डी शर्करा और हेलिक्स अक्ष का प्रतिनिधित्व करते हुए, प्रयोगात्मक परिणामों की भविष्यवाणी करने के लिए पर्याप्त स्तर का विवरण होने की सूचना दी गई है। यद्यपि, प्रति आधार जोड़ी पांच छद्म-परमाणु वाले मॉडल, स्पष्ट रूप से रीढ़ की हड्डी फॉस्फेट सहित, का भी उपयोग किया जाता है।

न्यूक्लिक एसिड के ज्यामितीय प्रतिरूपण के लिए सॉफ्टवेयर में जीडिओन, तियामत, नैनोअभियन्ता-1,और यूनीक्यूमर 3D सम्मिलित हैं। डीएनए उत्पत्ति के डिजाइन में ज्यामितीय चिंताएं विशेष रूप से रुचि रखती हैं, क्योंकि मचान स्ट्रैंड की विकल्प से अनुक्रम पूर्व निर्धारित होता है। सहित डीएनए ओरिगेमी डिजाइन के लिए विशेष रूप से डीएनए ओरिगेमी डिजाइन के लिए सॉफ्टवेयर बनाया गया है। जिसमें caDNAno और SARSE सम्मिलित हैं।

अनुप्रयोग
न्यूक्लिक एसिड डिज़ाइन का उपयोग डीएनए नैनोटेक्नोलॉजी में स्ट्रैंड्स को डिज़ाइन करने के लिए किया जाता है जो एक वांछित क्षेत्र संरचना में स्व-एकत्र हो जाएगा। इनमें डीएनए मशीनों, आवर्ती दो- और त्रि-आयामी जालक, बहुकोणीय आकृति और डीएनए ओरिगेमी जैसे उदाहरण सम्मिलित हैं। इसका उपयोग न्यूक्लिक एसिड स्ट्रैंड्स के समूह बनाने के लिए भी किया जा सकता है जो आयतीय हैं, या एक-दूसरे के साथ गैर- अंतःक्रिया नहीं करते हैं, ताकि अवांछित अंतःक्रिया को कम या समाप्त किया जा सके। यह डीएनए संगणना के साथ-साथ रासायनिक जीव विज्ञान और जैव प्रौद्योगिकी में आणविक बारकोडिंग अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी है।

यह भी देखें

 * न्यूक्लिक एसिड अनुरूप
 * संश्लेषित जीव विज्ञान

अग्रिम पठन

 * &mdash;A review of approaches to nucleic acid primary structure design.
 * &mdash;A comparison and evaluation of a number of heuristic and ऊष्मागतिक methods for nucleic acid design.
 * &mdash;One of the earliest papers on nucleic acid design, describing the use of sequence symmetry minimization to construct immoble branched junctions.
 * &mdash;A review comparing the capabilities of available nucleic acid design software.