संरचनात्मक जीवविज्ञान

संरचनात्मक जीव विज्ञान एक ऐसा क्षेत्र है जो कई सदियों पुराना है, जैसा कि जर्नल ऑफ स्ट्रक्चरल बायोलॉजी द्वारा परिभाषित किया गया है, प्रत्येक बिंदु पर जीवित पदार्थ (जीवित कोशिकाओं द्वारा निर्मित, निर्मित और/या रखरखाव और परिष्कृत) के संरचनात्मक विश्लेषण से संबंधित है। संगठन का स्तर. 19वीं और 20वीं सदी की प्रारंभ में प्रारंभिक संरचनात्मक जीवविज्ञानी मुख्य रूप से केवल नग्न आंखों की दृश्य तीक्ष्णता की सीमा तक और आवर्धक चश्मे और प्रकाश सूक्ष्मदर्शी के माध्यम से संरचनाओं का अध्ययन करने में सक्षम थे।

20वीं सदी में, जैविक अणुओं की 3डी संरचनाओं की जांच के लिए कई तरह की प्रयोगात्मक तकनीकें विकसित की गईं। सबसे प्रमुख तकनीकें एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी, परमाणु चुंबकीय अनुनाद और इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी हैं। एक्स-रे की खोज और प्रोटीन क्रिस्टल में इसके अनुप्रयोगों के माध्यम से, संरचनात्मक जीव विज्ञान में क्रांति आ गई, क्योंकि अब वैज्ञानिक परमाणु विस्तार में जैविक अणुओं की त्रि-आयामी संरचनाएं प्राप्त कर सकते थे। इसी के अनुसार, परमाणु चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी ने प्रोटीन संरचना और गतिशीलता के बारे में जानकारी प्राप्त करने की अनुमति दी गई थी। अंततः, 21वीं सदी में, इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी में भी अधिक सुसंगत इलेक्ट्रॉन स्रोतों के विकास, इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के लिए विपथन सुधार और पुनर्निर्माण सॉफ्टवेयर के साथ एक भारी क्रांति देखी गई, जिसने उच्च रिज़ॉल्यूशन क्रायो-इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी के सफल कार्यान्वयन को सक्षम किया गया था, जिससे अध्ययन की अनुमति मिली। जिससे एंगस्ट्रॉम रिज़ॉल्यूशन पर तीन-आयामों में व्यक्तिगत प्रोटीन और आणविक परिसर है ।

इन तीन तकनीकों के विकास के साथ, संरचनात्मक जीव विज्ञान के क्षेत्र का विस्तार हुआ और यह आणविक जीव विज्ञान, जैव रसायन और जीव पदाथ-विद्य की एक शाखा बन गई, जो जैविक मैक्रो मोलेक्यूल (विशेष रूप से एमिनो अम्ल, आरएनए या डीएनए से बने प्रोटीन) की आणविक संरचना से संबंधित है। न्यूक्लियोटाइड से बनी, और जैविक मेम्ब्रेन, जो लिपिड से बनी होती है), वे अपनी संरचनाएं कैसे प्राप्त करते हैं, और उनकी संरचनाओं में परिवर्तन उनके कार्य को कैसे प्रभावित करते हैं। यह विषय जीवविज्ञानियों के लिए बहुत रुचिकर है क्योंकि मैक्रोमोलेक्यूल्स कोशिका (जीव विज्ञान) के अधिकांश कार्य करते हैं, और केवल विशिष्ट त्रि-आयामी आकृतियों में क्वालिंग होकर ही वे इन कार्यों को करने में सक्षम होते हैं। यह वास्तुकला, अणुओं की तृतीयक संरचना, प्रत्येक अणु की मूल संरचना, या प्राथमिक संरचना पर समष्टि विधि से निर्भर करती है। कम रिज़ॉल्यूशन पर, एफआईबी-एसईएम टोमोग्राफी जैसे उपकरणों ने 3-आयामों में कोशिकाओं और उनके ऑर्गेनेल की अधिक समझ की अनुमति दी है, और विभिन्न बाह्य कोशिकीय आव्यूह का प्रत्येक पदानुक्रमित स्तर कार्य में कैसे योगदान देता है (उदाहरण के लिए हड्डी में) पिछले कुछ वर्षों में जैविक संरचनाओं के प्रायोगिक अध्ययन के पूरक के लिए अत्यधिक स्पष्ट भौतिक आणविक मॉडल की पूर्वानुमान करना भी संभव हो गया है। आणविक गतिशीलता सिमुलेशन जैसी कम्प्यूटेशनल तकनीकों का उपयोग प्रोटीन संरचना, संरचना और कार्य का विस्तार और अध्ययन करने के लिए अनुभवजन्य संरचना निर्धारण रणनीतियों के संयोजन में किया जा सकता है।



इतिहास
1912 में मैक्स वॉन लाउ ने विवर्तन उत्पन्न करने वाले क्रिस्टलीकृत कॉपर सल्फेट पर एक्स-रे का निर्देशन किया जता है। इन प्रयोगों से एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी का विकास हुआ और जैविक संरचनाओं की खोज में इसका उपयोग हुआ। 1951 में, रोज़ालिंड फ्रैंकलिन और मौरिस विल्किंस ने डीऑक्सीराइबोन्यूक्लिक एसिड (डीएनए) की पहली छवि को पकड़ने के लिए एक्स-रे विवर्तन पैटर्न का उपयोग किया गया था। फ्रांसिस क्रिक और जेम्स वॉटसन ने 1953 में इसी तकनीक का उपयोग करके डीएनए की दोहरी पेचदार संरचना का मॉडल तैयार किया और $$1962 $$ में विल्किंस के साथ चिकित्सा में नोबेल पुरस्कार प्राप्त किया था।

पेप्सिन क्रिस्टल, थियोडोर स्वेडबर्ग द्वारा एक्स-रे विवर्तन में उपयोग के लिए क्रिस्टलीकृत किए जाने वाले पहले प्रोटीन थे,जिन्हें रसायन विज्ञान में 1962 का नोबेल पुरस्कार मिला था। पहली प्रोटीन तृतीयक संरचना, मायोग्लोबिन की, 1958 में जॉन केंड्रयू द्वारा प्रकाशित की गई थी। इस समय के अवधि  बल्सा वुड या तार मॉडल का उपयोग करके प्रोटीन संरचनाओं का मॉडलिंग किया गया था। 1970 के दशक के अंत में सहयोगात्मक सहयोगात्मक कम्प्यूटेशनल परियोजना संख्या 4 मॉडलिंग सॉफ़्टवेयर के आविष्कार के साथ, मॉडलिंग अब कंप्यूटर की सहायता से की जाती है। क्षेत्र में वर्तमान के विकासों में मुक्त-इलेक्ट्रॉन लेजर एक्स-रे मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर की पीढ़ी समिलित है, जो जैविक अणुओं की गतिशीलता और गति के विश्लेषण की अनुमति देती है, और संश्लेषित जीव विज्ञान विज्ञान की सहायता में संरचनात्मक जीव विज्ञान का उपयोग किया जता है ।

1930 के दशक के अंत और 1940 के दशक की प्रारंभ में, इसिडोर रबी, फेलिक्स बलोच और एडवर्ड मिल्स परसेल द्वारा किए गए कार्यों के संयोजन से परमाणु चुंबकीय अनुनाद (एनएमआर) का विकास हुआ था। जो कि वर्तमान में, प्रोटीन (प्रोटीन एनएमआर) की संरचना और गतिशील प्रकृति को निर्धारित करने के लिए संरचनात्मक जीव विज्ञान के क्षेत्र में ठोस-अवस्था एनएमआर का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।

1990 में, रिचर्ड हेंडरसन ने क्रायोजेनिक इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (क्रायो-ईएम) का उपयोग करके बैक्टीरियरहोडॉप्सिन की पहली त्रि-आयामी, उच्च रिज़ॉल्यूशन वाली छवि तैयार की गई थी। तब से, क्रायो-ईएम जैविक छवियों की त्रि-आयामी, उच्च रिज़ॉल्यूशन संरचनाओं को निर्धारित करने के लिए एक तेजी से लोकप्रिय तकनीक के रूप में उत्थापित हुआ है।

वर्तमान में, जैविक संरचनाओं के मॉडल और अध्ययन के लिए कम्प्यूटेशनल विधि विकसित किए गए हैं। उदाहरण के लिए, आणविक गतिशीलता (एमडी) का उपयोग समान्यत: जैविक अणुओं की गतिशील गतिविधियों का विश्लेषण करने के लिए किया जाता है। 1975 में, एमडी का उपयोग करके जैविक तह प्रक्रिया का पहला अनुकरण नेचर में प्रकाशित किया गया था। वर्तमान में, अल्फाफोल्ड नामक एक नई मशीन लर्निंग पद्धति द्वारा प्रोटीन संरचना पूर्वानुमान में अधिक सुधार किया गया था। कुछ लोगों का प्रमाणित है कि कम्प्यूटेशनल दृष्टिकोण संरचनात्मक जीव विज्ञान अनुसंधान के क्षेत्र का नेतृत्व करना प्रारंभ कर रहे हैं।

तकनीक
सबसे उन्नत प्रकाश सूक्ष्मदर्शी से भी बायोमोलिक्यूल को विस्तार से देखना बहुत छोटा है। संरचनात्मक जीवविज्ञानी अपनी संरचनाओं को निर्धारित करने के लिए जिन विधियों का उपयोग करते हैं उनमें समान्यत: एक ही समय में बड़ी संख्या में समान अणुओं पर माप समिलित होता है। इन विधियों में समिलित हैं: इलेक्ट्रॉन अनुचुंबकीय अनुनाद अनुनाद (ईपीआर) अधिकांशतः शोधकर्ता इनका उपयोग मैक्रोमोलेक्यूल्स की मूल अवस्थाओं का अध्ययन करने के लिए करते हैं। किन्तु इन विधियों में भिन्नता का उपयोग नवोदित या विकृतीकरण (जैव रसायन) अणुओं को उनकी मूल अवस्था को ग्रहण करने या पुनः ग्रहण करने के लिए भी किया जाता है। प्रोटीन तह देखें.
 * मास स्पेक्ट्रोमेट्री
 * एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी या जैविक मैक्रोमोलेक्युलर क्रिस्टलोग्राफी
 * न्यूट्रॉन विवर्तन
 * प्रोटीनोलिसिस
 * प्रोटीन की परमाणु चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी (एनएमआर)
 * क्रायो-इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (क्रायोईएम)
 * इलेक्ट्रॉन क्रिस्टलोग्राफी और माइक्रोक्रिस्टल इलेक्ट्रॉन विवर्तन
 * बहुकोणीय प्रकाश प्रकीर्णन
 * जैविक लघु-कोण प्रकीर्णन
 * अल्ट्राफास्ट लेजर स्पेक्ट्रोस्कोपी
 * अनिसोट्रोपिक टेराहर्ट्ज़ माइक्रोस्पेक्ट्रोस्कोपी
 * द्वि-आयामी अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी
 * दोहरे ध्रुवीकरण इंटरफेरोमेट्री और वृत्ताकार द्वैतवाद

संरचना को समझने के लिए संरचनात्मक जीवविज्ञानी जो तीसरा दृष्टिकोण अपनाते हैं, वह विविध डीएनए अनुक्रम के बीच पैटर्न की खोज करने के लिए जैव सूचना विज्ञान है जो विशेष आकृतियों को उत्पन्न करते हैं। शोधकर्ता अधिकांशतः हाइड्रोफोबिसिटी विश्लेषण द्वारा अनुमानित मेम्ब्रैन टोपोलॉजी के आधार पर अभिन्न मेम्ब्रैन प्रोटीन की संरचना के पहलुओं का अनुमान लगा सकते हैं। प्रोटीन संरचना पूर्वानुमान देखें.

अनुप्रयोग
संरचनात्मक जीवविज्ञानियों ने मानव रोगों के अंतर्निहित आणविक घटकों और तंत्रों को समझने में महत्वपूर्ण योगदान दिया है। उदाहरण के लिए, क्रायो-ईएम और एसएसएनएमआर का उपयोग अमाइलॉइड फाइब्रिल के एकत्रीकरण का अध्ययन करने के लिए किया गया है, जो अल्जाइमर रोग, पार्किंसंस रोग और टाइप 2 मधुमेह से जुड़े हैं। अमाइलॉइड प्रोटीन के अतिरिक्त, वैज्ञानिकों ने अल्जाइमर रोगियों के मस्तिष्क में ताऊ फिलामेंट्स के उच्च रिज़ॉल्यूशन मॉडल का उत्पादन करने के लिए क्रायो-ईएम का उपयोग किया है जो भविष्य में उत्तम उपचार विकसित करने में सहायता कर सकता है। संरचनात्मक जीव विज्ञान उपकरणों का उपयोग रोगजनकों और होस्ट के बीच इंटरैक्शन को समझाने के लिए भी किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, संरचनात्मक जीवविज्ञान उपकरणों ने विषाणु विज्ञानी को यह समझने में सक्षम बनाया है कि कैसे एचआईवी आवरण वायरस को मानव प्रतिरक्षा प्रतिक्रियाओं से बचने की अनुमति देता है। संरचनात्मक जीव विज्ञान भी औषधि खोज का एक महत्वपूर्ण घटक है। वैज्ञानिक जीनोमिक्स का उपयोग करके लक्ष्यों की पहचान कर सकते हैं, संरचनात्मक जीव विज्ञान का उपयोग करके उन लक्ष्यों का अध्ययन कर सकते हैं, और ऐसी दवाएं विकसित कर सकते हैं जो उन लक्ष्यों के लिए उपयुक्त हों सकती है। विशेष रूप से, लिगैंड-न्यूक्लियर चुंबकीय अनुनाद, मास स्पेक्ट्रोमेट्री और एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी आमतौर पर दवा खोज प्रक्रिया में उपयोग की जाने वाली तकनीकें हैं। उदाहरण के लिए, शोधकर्ताओं ने मेट को उत्तम रूप से समझने के लिए संरचनात्मक जीव विज्ञान का उपयोग किया है, एक प्रोटोनकोजीन द्वारा एन्कोड किया गया प्रोटीन जो कैंसर में एक महत्वपूर्ण दवा लक्ष्य है। एचआईवी/एड्स से पीड़ित लोगों के इलाज के लिए एचआईवी लक्ष्यों पर भी इसी तरह का शोध किया गया है। शोधकर्ता संरचना-संचालित दवा खोज का उपयोग करके माइकोबैक्टीरियल संक्रमण के लिए नए रोगाणुरोधी भी विकसित कर रहे हैं।

यह भी देखें

 * प्राथमिक संरचना
 * माध्यमिक संरचना
 * तृतीयक संरचना
 * चतुर्धातुक संरचना
 * संरचनात्मक डोमेन
 * संरचनात्मक रूपांकन
 * प्रोटीन सबयूनिट
 * आणविक मॉडल
 * सहकारिता
 * संरक्षिका
 * संरचनात्मक जीनोमिक्स
 * त्रिविम
 * संकल्प (इलेक्ट्रॉन घनत्व)
 * प्रोटियोपेडिया प्रोटीन और अन्य अणुओं का सहयोगी, 3डी विश्वकोश।
 * प्रोटीन संरचना का पूर्वानुमान

बाहरी संबंध

 * Nature: Structural & Molecular Biology magazine website
 * Journal of Structural Biology
 * Structural Biology - The Virtual Library of Biochemistry, Molecular Biology and Cell Biology
 * Structural Biology in Europe
 * Structural Biology in Europe