डीएनएबंधी विकरे ही पेशींमधील अत्यावश्यक विकरांपैकी एक आहेत. डीएनए प्रतिकरण (DNA replication), दुरुस्ती (DNA repair) आणि पुनर्संयोजन (DNA recombination) या प्रक्रियांमध्ये ही विकरे महत्त्वाची भूमिका बजावतात. जीनोमची मूलभूत रचना अबाधित राखणे आणि दुरुस्ती यांमध्ये बंधी विकरांचा महत्त्वाचा सहभाग असतो.
अतिनील किरणे (UV radiations), रसायने व विविध बाह्य घटकांमुळे डीएनएला इजा पोहोचते. अशा हानिकारक घटकांमुळे डीएनएचे तुकडे पडतात किंवा महत्त्वाचा काही क्रम वगळला जातो. डीएनएबंधी विकर ही मोडतोड पूर्ववत करते. बंधी विकर डीएनएच्या तुकड्यांमधील न्यूक्लिओटाइडांमध्ये फॉस्फोडायएस्टर बंध तयार करते आणि त्यांना पूर्ववत जोडते. डीएनए प्रतिकरणामध्ये होणाऱ्या चुका सुधारण्याची प्रक्रिया पेशीमध्ये सातत्याने घडत असते. डीएनएबंधी विकर दुरुस्ती केलेले डीएनएचे तुकडे पुन्हा एकसंध बनवते.
बंधी विकरांचा अभाव असल्यास बाह्य घटकांमुळे होणारी हानी पेशी भरून काढू शकत नाहीत. तसेच जीनोम अस्थिर झाल्याने पेशींवर गंभीर परिणाम होतात. बंधी विकरांच्या अभावामुळे ब्लूम लक्षणसमूह (Bloom syndrome), गतिविभ्रम वाहिनीस्फीती संलक्षण (Ataxia–telangiectasia), वर्णित त्वचा खरता (Xeroderma pigmentosa) यांसारखे काही गंभीर विकार उद्भवतात, हे आता दिसून आले आहे.
पाच प्रयोगशाळांमधील वैज्ञानिकांनी एकाच वेळेस डीएनएबंधी विकरे शोधून काढली. वाईस आणि रिचर्डसन यांनी १९६७ मध्ये टी-४ बॅक्टेरिओफाजचा (सूक्ष्मजंतुभक्षीचा; Bacteriophage) संसर्ग केलेल्या ई. कोलाय जीवाणूपासून पहिले डीएनएबंधी विकर वेगळे करण्यात यश मिळवले. या प्रयोगाचा आधार घेऊन नाओयो आँर्कुल (Naoyo Anrakul) आणि आर. लेहमन (R. Lehman) या वैज्ञानिकांनी बंधी विकराचा सखोल अभ्यास केला. त्यांनी १९६९ मध्ये टी-४ सूक्ष्मजंतुभक्षीवरील प्रयोगांमधून विविध पुनर्संयोजित डीएनए मिळवले. यामुळे बंधी विकरांचे कार्य पूर्णपणे उलगडले. तसेच त्यांच्या प्रयोगांमुळे डीएनए रेणूमध्ये फेरबदल घडवण्यासाठी बंधी विकरे उपयुक्त आहेत, या विचाराला पुष्टी मिळाली.
कार्यपद्धती : डीएनएबंधी विकरांची कार्यपद्धती निर्बंधन विकरांच्या अगदी विरुद्ध असते. निर्बंधन विकरे किंवा रेणवीय स्वरूपातील कात्री डीएनएची शृंखला कापते, तर डीएनएबंधी विकर शिवण घातल्याप्रमाणे डीएनएचे तुकडे पुन्हा जोडते. डीएनएबंधी विकर डीएनए शृंखलेमधील छेद शोधून त्या ठिकाणी जाऊन जुळते. छेदाच्या ठिकाणी असलेल्या ५’ टोकाच्या मोकळ्या फॉस्फेट गटाला दाता (Donor) आणि ३’ टोकाच्या मोकळ्या हायड्रॉक्सिल गटाला ग्राही (Receptor) म्हणतात. फॉस्फोडायएस्टर बंध जुळवण्याची प्रक्रिया तीन टप्प्यांत घडते. पहिल्या टप्प्यात बंधी विकर ॲडिनोसीन ट्रायफॉस्फेट (ATP) रेणूचे विघटन करून ॲडिनोसीन मोनोफॉस्फेट (AMP) गट वेगळा करते. बंधी विकर हा गट एका विशिष्ट लायसीन रेणूवर धारण करते. दुसऱ्या टप्प्यात हा ॲडिनोसीन मोनोफॉस्फेट गट ५’ टोकाच्या फॉस्फेट गटाशी संलग्न होतो. तिसऱ्या टप्प्यात ३’ टोकाचा हायड्रॉक्सिल गट ५’ गटाशी सहसंयुजी बंध (Covalent bond) प्रस्थापित करतो. अशा प्रकारे ५’ टोकाचा फॉस्फेट गट व ३’ टोकाची शर्करा यांच्यात फॉस्फोडायएस्टर बंध तयार होतो (आ. १.).
एकपेशीय सजीवांपासून अत्यंत प्रगत प्राण्यांपर्यंत सर्व सजीवांमध्ये डीएनएबंधी विकरे आढळतात. सर्व डीएनएबंधी विकरे मॅग्नेशियम आयन (Mg++) व एटीपी रेणूंचा साहाय्यक घटक म्हणून वापर करतात. बहुतांश सूक्ष्मजंतुभक्षी व जीवाणूंमध्ये सापडणारी डीएनएबंधी विकरे एकाच प्रकारची असतात. ई. कोलाय व बहुतांश जीवाणूंमधील डीएनएबंधी विकरे निकोटिनामाइड ॲडेनीन डायन्यूक्लिओटाइड (NAD) हे रेणू साहाय्यक घटक म्हणून वापरतात.
दृश्य केंद्रकी (Eukaryotes) सजीवांमध्ये चार वेगवेगळ्या प्रकारची डीएनएबंधी विकरे आढळतात. ही विकरे मॅग्नेशियम आयन व एटीपी रेणूंचा साहाय्यक घटक म्हणून वापर करतात. डीएनएबंधी विकर-१ (DNA ligase-I) या प्रकारचे विकर डीएनए प्रतिकरणाच्या प्रक्रियेचा महत्त्वाचा भाग असते. द्विसर्पिल डीएनएचे प्रतिकरण होताना ५’ शृंखलेचे अखंडित प्रतिकरण होते, तर ३’ शृंखलेचे प्रतिकरण तुकड्या-तुकड्यांमध्ये होते. या तुकड्यांना ‘ओकाझाकी खंडʼ (Okazaki fragments) म्हणतात. डीएनएबंधी विकर-१ हे तुकडे एकमेकांशी जोडून एकसंध शृंखला तयार करते. डीएनएबंधी विकर-२, ३ आणि ४ (DNA ligase -II, III, IV) ही सर्व विकरे द्विसर्पिल डीएनएच्या दुरुस्तीमध्ये सहभागी असतात. डीएनएबंधी विकर-३ याच्या विघटनातून डीएनएबंधी विकर-२ तयार होते. डीएनएबंधी विकर-४ हे विकर XRCC4 या प्रथिनाच्या मदतीने काम करते. बी– व टी– पेशीवरील ग्राही प्रथिने (Surface receptors) तयार करण्यामध्ये हे विकर मदत करते. तसेच इम्युनोग्लोब्युलिन जनुके जोडून योग्य प्रथिने तयार करण्यासाठीदेखील ही विकरे मदत करतात.
डीएनएबंधी विकरे EC 6.5.1.1 या क्रमांकाने ओळखली जातात. अधिक प्रसिद्धी न मिळालेली ही विकरे जैवतंत्रज्ञान आणि जनुक अभियांत्रिकीच्या क्षेत्रामध्ये साधने म्हणून वापरली जातात. डीएनएबंधी विकरांचा प्रमुख उपयोग डीएनए पुनर्संयोजन तंत्रज्ञानामध्ये होतो. ए. कोलायपासून मिळवलेली बंधी विकरे चिकट टोके (Cohesive/sticky ends) असलेले डीएनएचे तुकडे जोडू शकतात. परंतु, ही विकरे बोथट टोके (Blunt ends) असलेले डीएनएचे तुकडे जोडण्यास अक्षम असतात. त्यामुळे या विकरांचा जैवतंत्रज्ञानामधील वापर मर्यादित आहे. संशोधनात वापरली जाणारी बंधी विकरे मुख्यत: टी-४ सूक्ष्मजंतुभक्षीपासून मिळवलेली असतात. ही विकरे चिकट व बोथट दोन्ही प्रकारची डीएनएची टोके जोडू शकतात. ही विकरे एटीपी हा साहाय्यक रेणू वापरतात. केवळ डीएनएचे तुकडे नव्हे तर आरएनए, डीएनए–आरएनएचे संमिश्र रेणू व न्यूक्लिओटाइडांच्या छोट्या छोट्या सुट्ट्या साखळ्या (Oligonucleotides) या सर्व रेणूंना ही विकरे जोडू शकतात. विविध प्रकारच्या कार्यद्रव्यांवर (Substrates) काम करू शकत असल्याने ही विकरे जैवतंत्रज्ञानातील संशोधनात उपयोगी ठरतात.
डीएनए पुनर्संयोजनाच्या प्रक्रियेमध्ये निर्बंधक विकरे व बंधी विकरे एकमेकांच्या जोडीने काम करतात. प्लाझ्मिड किंवा अन्य वाहकामध्ये (Vector) निर्बंधक विकरांच्या मदतीने नेमक्या ठिकाणी छेद दिला जातो. आवश्यक असलेले डीएनए क्रम अथवा जनुके तेथे जोडली जातात. बंधी विकरांच्या मदतीने वाहक डीएनएमधील छेद बुजवला जातो आणि वाहक पुन्हा सांधले जाते. हे पुनर्संयोजित प्लाझ्मिडवाहक आश्रयी पेशीपर्यंत जनुक पोहोचवते आणि आश्रयी पेशीमध्ये त्या जनुकांची अभिव्यक्ती होते. योग्य बंधी विकराशिवाय ही प्रक्रिया पूर्ण होऊ शकत नाही. त्यामुळे पुनर्संयोजित डीएनए बनवण्यासाठी बंधी विकरे अनिवार्य असतात.
अलिकडच्या काळात डीएनए ओरिगामी (DNA origami) नावाचे नवीन तंत्रज्ञान उदयाला आले आहे. पूरक आधारक जोड्यांच्या (Base pairs) मदतीने डीएनए रेणूंच्या द्विमितीय (2D) व त्रिमितीय (3D) संरचना केल्या जातात. बंधी विकरे या विशिष्ट संरचना घडवण्यामध्ये मदत करतात. डीएनएचे हवे ते तुकडे एकमेकांना जोडण्याची प्रक्रिया बंधी विकरामुळे सुकर होते. विविध प्रकारचे अब्जांशकण (Nanoparticles) डीएनएच्या नवनवीन संरचनांना जोडून त्याचे उपयोग तपासले जात आहेत. औषधनिर्मितीच्या (Pharmacology) क्षेत्रामध्ये क्रांतिकारी बदल करण्याची क्षमता या संरचनांमध्ये आहे असे मानले जाते. शरीरामध्ये विशिष्ट ठिकाणी औषधे पोहोचवणे आणि व्यक्तिनिष्ठ औषधोपचार करण्यामध्ये हे संशोधन उपयुक्त ठरेल असे अब्जांशतंत्रज्ञांचे मत आहे. बंधी विकरांची ओळख केवळ जीनोमची डागडुजी करणारी विकरे एवढीच मर्यादित राहिलेली नसून त्यांचे अनेक नवनवीन उपयोग प्रकाशात येत आहेत.
पहा : जैवतंत्रज्ञान साधने, डीएनए प्रतिकरण, निर्बंधन विकरे.
संदर्भ :
- ATP-dependent DNA ligases, Genome Biology, 3(4): reviews 3005.1–3005.7, 2002.
- https://blog.edvotek.com/2020/01/28/biotech-basics-dna-ligase-building-a-bridge-with- dna/
- https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2719376/#:~:text=DNA%20Ligase,qua%20non%20of%20genome%20integrity.
- Shuman Stewart, DNA Ligases: Progress and Prospects, J Biol Chem., 284, 26, 17365, 2009.
- Tomkinson A.E., Della-Maria J.A., DNA Ligases: Mechanism and Functions, Encyclopedia of Biological Chemistry (Second Edition), 2013.
समीक्षक : प्रमोद जोगळेकर
