गैस पुटिका

गैस वेसिकल्स, जिन्हें गैस वैक्यूल्स के रूप में भी जाना जाता है, कुछ प्रोकैरियोट जीवों में नैनोकंपार्टमेंट हैं, जो उछाल में सहायता करते हैं। इस प्रकार गैस वेसिकल्स पूरी तरह से प्रोटीन से बने होते हैं; कोई लिपिड या कार्बोहाइड्रेट नहीं पाया गया है।

कार्य
गैस वेसिकल मुख्य रूप से जलीय जीवों में होती हैं क्योंकि उनका उपयोग कोशिका की उछाल को नियंत्रित करने और पानी के स्तंभ में कोशिका की स्थिति को संशोधित करने के लिए किया जाता है जिससे कि यह प्रकाश संश्लेषण के लिए सर्वोत्तम रूप से स्थित किया जा सके या अधिक या कम ऑक्सीजन वाले स्थानों पर जा सके। इस प्रकार ऐसे जीव जो वायु-तरल इंटरफेस में तैर सकते हैं, अन्य वायुजीवों से प्रतिस्पर्धा करते हैं जो शीर्ष परत में ऑक्सीजन का उपयोग करके पानी के स्तंभ में नहीं बढ़ सकते हैं।

इसके अतिरिक्त, आसमाटिक झटके को रोकने के लिए पानी के स्तरीकृत शरीर में विशिष्ट स्थानों में जीव की स्थिति के द्वारा इष्टतम लवणता बनाए रखने के लिए गैस पुटिकाओं का उपयोग किया जा सकता है। विलेय की उच्च सांद्रता के कारण असमस द्वारा कोशिका से पानी निकाला जाएगा, जिससे कोशिका लसीका हो जाएगा। इस प्रकार गैस पुटिकाओं को संश्लेषित करने की क्षमता अनेक रणनीतियों में से एक है जो हेलोफिलिक जीवों को उच्च नमक सामग्री वाले वातावरण को सहन करने की अनुमति देती है।

विकास
गैस पुटिका संभवतः सूक्ष्म जीवों के बीच गतिशीलता के सबसे प्रारंभिक तंत्रों में से एक है, इस तथ्य के कारण कि यह प्रोकैरियोट्स के जीनोम के अंदर संरक्षित गतिशीलता का सबसे व्यापक रूप है, जिनमें से कुछ लगभग 3 अरब साल पहले विकसित हुए हैं।

सक्रिय गतिशीलता के तरीकों फ्लैगेल्ला आंदोलन के लिए एक तंत्र की आवश्यकता होती है जो रासायनिक ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित कर सकती है, और इस प्रकार यह अधिक समष्टि है और पश्चात् में विकसित हुई होगी। गैस पुटिकाओं के कार्य भी प्रजातियों के के बीच बड़े पैमाने पर संरक्षित हैं, चूंकि विनियमन की प्रणाली भिन्न हो सकती है, जिससे गतिशीलता के रूप में गैस पुटिकाओं के महत्व का पता चलता है। कुछ जीवों में जैसे एंटरोबैक्टीरियम सेराटिया एसपी। इस प्रकार फ्लैगेल्ला-आधारित गतिशीलता और गैस पुटिका उत्पादन को एकल आरएनए बाध्यकारी प्रोटीन, आरएसएमए द्वारा विपरीत रूप से नियंत्रित किया जाता है, जो पर्यावरण अनुकूलन के वैकल्पिक तरीकों का सुझाव देता है जो गतिशीलता और प्लवनशीलता के बीच विकास के विनियमन के माध्यम से विभिन्न टैक्सोन में विकसित होता।

यद्यपि गैस पुटिकाओं के प्रारंभिक विकास का सुझाव देने वाले साक्ष्य हैं, प्लास्मिड स्थानांतरण ऑर्गेनेल के व्यापक और संरक्षित प्रकृति के वैकल्पिक विवरण के रूप में कार्य करता है। इस प्रकार हेलोबैक्टीरियम हेलोबियम में प्लाज्मिड के विखंडन के परिणामस्वरूप गैस पुटिकाओं को जैवसंश्लेषित करने की क्षमता का हानि हुआ, जो क्षैतिज जीन स्थानांतरण की संभावना को दर्शाता है, जिसके परिणामस्वरूप बैक्टीरिया के विभिन्न उपभेदों के महंगे गैस पुटिकाओं का उत्पादन करने की क्षमता का हस्तांतरण हो सकता है।

संरचना
गैस पुटिकाएं सामान्यतः नींबू के आकार की या बेलनाकार, प्रोटीन की खोखली नलियां होती हैं जिनके दोनों सिरों पर शंक्वाकार टोपी होती हैं। इस प्रकार पुटिकाएं अपने व्यास में सबसे भिन्न होती हैं। बड़े पुटिकाएं अधिक हवा को धारण कर सकती हैं और कम प्रोटीन का उपयोग कर सकती हैं, जिससे वे संसाधन उपयोग के स्थितियों में सबसे अधिक प्रभावकारी हो जाते हैं, चूंकि, पुटिका जितनी बड़ी होती है, वह संरचनात्मक रूप से अशक्त होती है, यह दबाव में होती है और पुटिका के ढहने से पहले कम दबाव की आवश्यकता होती है। इस प्रकार जीव प्रोटीन के उपयोग के साथ सबसे अधिक कुशल होने के लिए विकसित हुए हैं और सबसे बड़े अधिकतम पुटिका व्यास का उपयोग करते हैं जो जीव के संपर्क में आने वाले दबाव का सामना कर सकते हैं। इस प्रकार प्राकृतिक चयन के लिए गैस पुटिकाओं को प्रभावित करने के लिए, पुटिकाओं के व्यास को आनुवंशिकी द्वारा नियंत्रित किया जाना चाहिए।

यद्यपि गैस पुटिकाओं को कूटने वाले जीन हलोअर्चिअल की अनेक प्रजातियों में पाए जाते हैं, केवल कुछ ही प्रजातियां उन्हें उत्पन्न करती हैं। इस प्रकार पहले हेलोआर्कियल गैस वेसिकल जीन, जीवीपीए को हेलोबैक्टीरियम एसपी से क्लोन किया गया था। एनआरसी-1। 14 जीन हैलोआर्चिया में गैस पुटिकाओं के निर्माण में सम्मिलित होते हैं।

कैलोथ्रिक्स में पहले गैस वेसिकल जीन, जीवीपीए की पहचान की गई थी। कम से कम दो प्रोटीन होते हैं जो साइनोबैक्टीरियम के गैस वेसिकल का निर्माण करते हैं: जीवीपीए, और जीवीपीसी । जीवीपीए पसलियां और मुख्य संरचना का अधिकांश द्रव्यमान (90% तक) का निर्माण करता है। जीवीपीए अत्यधिक हाइड्रोफोबिक है और ज्ञात सबसे अधिक हाइड्रोफोबिक प्रोटीनों में से एक हो सकता है। जीवीपीसी हाइड्रोफिलिक है और जीवीपीए पसलियों में आवधिक समावेशन द्वारा संरचना को स्थिर करने में सहायता करता है। इस प्रकार जीवीपीसी पुटिकाओं से धुल जाने में सक्षम है और परिणामस्वरूप पुटिकाओं की शक्ति में कमी आती है। पुटिका की दीवार की मोटाई 1.8 से 2.8 एनएम तक हो सकती है। पसलियों के महंगे 4–5 एनएम की दूरी के साथ आतंरिक और बाहरी दोनों सतहों पर पुटिका की धारीदार संरचना स्पष्ट होती है। इस प्रकार वेसिकल्स 100-1400 एनएम लंबे और 45-120 एनएम व्यास के हो सकते हैं।

इस प्रकार एक प्रजाति के अंदर गैस पुटिकाओं का आकार ±4% के मानक विचलन के साथ अपेक्षाकृत समान होता है।

विकास
ऐसा प्रतीत होता है कि गैस पुटिकाओं का अस्तित्व छोटे द्विध्रुवीय (एक साथ जुड़े हुए सपाट आधार वाले दो शंकु) संरचनाओं के रूप में प्रारंभ करती हैं जो बढ़ने के बजाय विशिष्ट व्यास तक बढ़ती हैं और उनकी लंबाई का विस्तार करती हैं। यह अज्ञात है कि वास्तव में व्यास को क्या नियंत्रित करता है लेकिन यह एक अणु हो सकता है जो जीवीपीए में हस्तक्षेप करता है या जीवीपीए का आकार बदल सकता है।

विनियमन
गैस पुटिकाओं का निर्माण दो जीवीपी प्रोटीनों द्वारा नियंत्रित किया जाता है: जीवीपीडी, जो जीवीपीए और जीवीपीसी प्रोटीन की अभिव्यक्ति को दबाता है, और जीवीपीई, जो अभिव्यक्ति को प्रेरित करता है। बाह्यकोशिकीय पर्यावरणीय कारक भी पुटिका निर्माण को प्रभावित करते हैं, या तब जीवीपी प्रोटीन उत्पादन को विनियमित करके या पुटिका संरचना को सीधे परेशान करके।

प्रकाश की तीव्रता
यह पाया गया है कि प्रकाश की तीव्रता विभिन्न बैक्टीरिया और आर्किया के बीच गैस पुटिकाओं के उत्पादन और रखरखाव को भिन्न-भिन्न तरीके से प्रभावित करती है। इस प्रकार एनाबेना फ्लोस-एक्वा के लिए, उच्च प्रकाश तीव्रता के कारण स्फीति दबाव में वृद्धि और प्रकाश संश्लेषक उत्पादों के अधिक संचय से पुटिका ढह जाती है। इस प्रकार सायनोबैक्टीरिया में, बैक्टीरिया की सतह के यूवी विकिरण के संपर्क में आने के कारण उच्च प्रकाश तीव्रता पर पुटिका का उत्पादन कम हो जाता है, जो बैक्टीरिया के जीनोम को हानि पहुंचा सकता है।

कार्बोहाइड्रेट
हेलोफ़ेरैक्स मेडिटेरैनी और हेलोफ़ेरैक्स ज्वालामुखी में ग्लूकोज, माल्टोज़, या सुक्रोज का संचय जीवीपीए प्रोटीन की अभिव्यक्ति को बाधित करने के लिए पाया गया और इसलिए, गैस पुटिका उत्पादन में कमी आई। चूँकि, यह केवल कोशिका के प्रारंभिक घातीय वृद्धि चरण में हुआ। इस प्रकार कोशिकीय ग्लूकोज सांद्रता को कम करने में पुटिका निर्माण को भी प्रेरित किया जा सकता है।

ऑक्सीजन
हेलोफिलिक आर्किया में गैस पुटिका निर्माण को नकारात्मक रूप से प्रभावित करने के लिए ऑक्सीजन की कमी पाई गई। इस प्रकार जीवीपी प्रोटीन के लिए एमआरएनए ट्रांस्क्रिप्ट एन्कोडिंग के कम संश्लेषण के कारण हेलोबैक्टीरियम सैलिनारम अवायवीय परिस्थितियों में बहुत कम या कोई पुटिका उत्पन्न नहीं करता है। इस प्रकार एच. भूमध्य और एच. ज्वालामुखी जीवीपीए के लिए संश्लेषित ट्रांसक्रिप्ट एन्कोडिंग में कमी और जीवीपीडी को व्यक्त करने वाले ट्रंकेटेड ट्रांसक्रिप्ट के कारण एनोक्सिक परिस्थितियों में किसी भी वेसिकल्स का उत्पादन नहीं करते हैं।

पीएच
माइक्रोसिस्टिस प्रजातियों में पुटिका के गठन को बढ़ाने के लिए बढ़े हुए बाह्य पीएच स्तर पाए गए हैं। इस प्रकार बढ़े हुए पीएच के अनुसार, जीवीपीए और जीवीपीसी ट्रांस्क्रिप्ट के स्तर में वृद्धि होती है, जिससे अभिव्यक्ति के लिए राइबोसोम के लिए अधिक कठिन परिस्थिति होता है और जीवीपी प्रोटीन का अपग्रेडेशन होता है। इसे इन जीनों के अधिक प्रतिलेखन, संश्लेषित प्रतिलेखों के क्षय में कमी या एमआरएनए की उच्च स्थिरता के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है।

अल्ट्रासोनिक विकिरण
यह पाया गया कि अल्ट्रासोनिक विकिरण, कुछ आवृत्तियों पर, सायनोबैक्टीरिया स्पिरुलिना प्लैटेंसिस में गैस पुटिकाओं को ढहने के लिए पाया गया, जिससे उन्हें खिलने से रोका जा सके।

कोरम संवेदन
एंटरोबैक्टीरियम में; सेराटिया एसपी तनाव एटीसीसी39006, गैस पुटिका का उत्पादन तभी होता है जब सिग्नलिंग अणु, एन-एसिल होमोसरीन लैक्टोन की पर्याप्त सांद्रता होती है। इस स्थितियों में, जिसका संवेदन अणु, एन-एसिल होमोसरीन लैक्टोन ऑर्गेनेल विकास की प्रारम्भ करने वाले मोर्फोजेन के रूप में कार्य करता है। इस प्रकार यह जीव के लिए फायदेमंद है क्योंकि गैस पुटिकाओं के उत्पादन के लिए संसाधनों का उपयोग केवल तभी किया जाता है जब बैक्टीरिया की जनसंख्या में वृद्धि के कारण ऑक्सीजन की कमी होती है।

टीके के विकास में भूमिका
हेलोबैक्टीरियम एसपी से गैस वेसिकल जीन जीवीपीसी टीके के अध्ययन के लिए वितरण प्रणाली के रूप में उपयोग किया जाता है।

गैस वेसिकल जीन जीवीपीसी द्वारा एन्कोड किए गए प्रोटीन की अनेक विशेषताएं इसे एंटीजन के लिए वाहक और सहायक के रूप में उपयोग करने की अनुमति देती हैं: यह स्थिर है, जैविक गिरावट के लिए प्रतिरोधी है, अपेक्षाकृत उच्च तापमान (50 डिग्री कोशिका्सियस तक) को सहन करता है, और गैर-रोगजनक है मनुष्य। विभिन्न मानव रोगजनकों से अनेक प्रतिजनों को लंबे समय तक चलने वाली प्रतिरक्षा प्रतिक्रियाओं के साथ सबयूनिट टीके बनाने के लिए जीवीपीसी जीन में पुनः संयोजित किया गया है।

एमओएमपी, ओएमसीबी और पोम्पडी सहित अनेक क्लैमाइडिया ट्रैकोमैटिस पैथोजन प्रोटीन के लिए विभिन्न जीनोमिक सेगमेंट एन्कोडिंग, हेलोबैक्टीरिया के जीवीपीसी जीन से जुड़े हुए हैं। इस प्रकार कोशिकाओं के इन विट्रो आकलन में इमेजिंग विधियों के माध्यम से कोशिका की सतहों पर क्लैमाइडिया जीन की अभिव्यक्ति दिखाई देती है और टीएलआर गतिविधियों और प्रो-भड़काऊ साइटोकिन्स उत्पादन जैसे विशिष्ट प्रतिरक्षात्मक प्रतिक्रियाएं दिखाती हैं। क्लैमाइडिया के लिए संभावित टीका उत्पन्न करने के लिए डिलीवरी वाहन के रूप में गैस वेसिकल जीन का शोषण किया जा सकता है। इस प्रकार इस पद्धति की सीमाओं में स्वयं जीवीपीसी प्रोटीन के हानि को कम करने की आवश्यकता सम्मिलित है जबकि जीवीपीसी जीन खंड में अधिक से अधिक वैक्सीन लक्ष्य जीन सम्मिलित हैं।

एक समान प्रयोग संभावित वैक्सीन जगह उत्पन्न करने के लिए ही गैस वेसिकल जीन और साल्मोनेला एंटरिका पैथोजन के स्रावित इनोसिन फॉस्फेट प्रभावकार प्रोटीन एसओपीबी4 और एसओपीबी5 का उपयोग करता है। प्रतिरक्षित चूहे प्रो-भड़काऊ साइटोकिन्स आईएफएन-γ, आईएल-2 और आईएल-9 का स्राव करते हैं। एंटीबॉडी आईजीजी का भी पता चला है। इस प्रकार संक्रमण की चुनौती के पश्चात्, काटे गए अंगों जैसे प्लीहा और यकृत में कोई भी या अधिक कम मात्रा में बैक्टीरिया नहीं पाए गए। एंटीजन डिस्प्ले के रूप में गैस वेसिकल का उपयोग करने वाले संभावित टीके म्यूकोसल मार्ग के माध्यम से वैकल्पिक प्रशासन मार्ग के रूप में दिए जा सकते हैं, जिससे अधिक लोगों तक इसकी पहुंच बढ़ जाती है और शरीर के अंदर प्रतिरक्षा प्रतिक्रियाओं की विस्तृत श्रृंखला प्राप्त होती है।



कंट्रास्ट एजेंट और रिपोर्टर जीन के रूप में भूमिका
गैस पुटिकाओं में अनेक भौतिक गुण होते हैं जो उन्हें विभिन्न चिकित्सा इमेजिंग तौर-तरीकों पर दिखाई देते हैं। प्रकाश को बिखेरने के लिए गैस पुटिकाओं की क्षमता का उपयोग उनकी एकाग्रता का अनुमान लगाने और उनके पतन के दबाव को मापने के लिए दशकों से किया जाता रहा है। इस प्रकार गैस पुटिकाओं के ऑप्टिकल कंट्रास्ट भी उन्हें नेत्र विज्ञान में अनुप्रयोगों के साथ ऑप्टिकल कोहरेन्स टोमोग्राफी में कंट्रास्ट एजेंट के रूप में सेवा करने में सक्षम बनाता है। उनके कोर और आसपास के द्रव में गैस के महंगे ध्वनिक प्रतिबाधा में अंतर गैस पुटिकाओं को शक्तिशाली ध्वनिक कंट्रास्ट कारक ध्वनिक कंट्रास्ट देता है। इस प्रकार इसके अतिरिक्त, कुछ गैस पुटिका के गोले की बकसुआ करने की क्षमता हार्मोनिक अल्ट्रासाउंड गूँज उत्पन्न करती है जो ऊतक अनुपात के विपरीत सुधार करती है। अंत में, हवा और पानी की चुंबकीय संवेदनशीलता के महंगे अंतर पर निर्भर करते हुए, चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) के लिए गैस पुटिकाओं को कंट्रास्ट एजेंट के रूप में उपयोग किया जा सकता है। इस प्रकार दबाव तरंगों का उपयोग करके गैर-आक्रामक रूप से गैस पुटिकाओं को ढहाने की क्षमता उनके संकेत को मिटाने और उनके विपरीत सुधार के लिए तंत्र प्रदान करती है। ध्वनिक पतन से पहले और सीमा में छवियों को घटाकर गैस पुटिकाओं का पता लगाने में वृद्धि करने वाले पृष्ठभूमि संकेतों को समाप्त किया जा सकता है।

बैक्टीरिया में गैस पुटिकाओं की विषम अभिव्यक्ति और स्तनधारी कोशिकाओं ने ध्वनिक रिपोर्टर जीन के पहले परिवार के रूप में उनके उपयोग को सक्षम किया। इस प्रकार जबकि हरे रंग के रोशनी प्रोटीन (जीएफपी) जैसे प्रतिदीप्ति रिपोर्टर जीन का जीव विज्ञान में व्यापक उपयोग था, रहना अनुप्रयोगों में ऊतक में प्रकाश की प्रवेश गहराई, सामान्यतः कुछ मिमी तक सीमित होती है। चमक को ऊतक के अंदर गहराई से पता लगाया जा सकता है, किन्तु कम स्थानिक संकल्प है। इस प्रकार ध्वनिक रिपोर्टर जीन उप-मिलीमीटर स्थानिक रिज़ॉल्यूशन और अनेक सेंटीमीटर की पैठ गहराई प्रदान करते हैं, जिससे ऊतक के अंदर जैविक प्रक्रियाओं के विवो अध्ययन को सक्षम किया जा सकता है।