शरद पांडुरंग काळे
यंदाचे वैद्यकीय क्षेत्रासाठीचे नोबेल पारितोषिक अमेरिकी संशोधक डॉ. विलियम केलीन व ग्रेग सिमेंझा आणि ब्रिटिश संशोधक डॉ. पीटर रॅटक्लिफ या तिघांना पेशी ऑक्सिजन कसा ओळखतात आणि त्याच्या उपलब्धतेला कसा प्रतिसाद देतात, या संशोधनासाठी जाहीर झाले. ऑक्सिजनबदलाला प्रतिसाद देण्यासाठी जी जनुके जबाबदार असतात, त्या जनुकांवर नियंत्रण ठेवणारी पेशींमधील रेण्वीय यंत्रणा या तिघांनी शोधून काढली आहे. ऑक्सिजनचे प्रमाण पेशींमधील चयापचय क्रियेवर नेमका काय परिणाम करते आणि शरीरावर त्याचा काय परिणाम होतो, याची उकल होण्यास त्यांच्या संशोधनामुळे मदत झाली आहे..
पृथ्वीवर जी सजीवसृष्टी आहे, त्यातील काही आदी सूक्ष्मजीव वगळता सर्वच सजीवांना जगण्यासाठी ऑक्सिजन अत्यावश्यक असतो. ऑक्सिजनचे आण्विक सूत्र ‘o’ तर रेणुसूत्र ‘o2’ असे आहे. म्हणजे याच्या रेणूत दोन अणू आहेत. आण्विक ऑक्सिजनदेखील असू शकतो, पण त्याचे आयुष्य अतिशय कमी म्हणजे काही मायक्रोसेकंद वा त्याहीपेक्षा कमी असते. त्याला ‘मुक्त अणू’ असेही म्हणतात. ऑक्सिजनचे आण्विक वजन १६, तर रेण्वीय वजन ३२ असते. समुद्रसपाटीजवळ हवेतील ऑक्सिजनचे प्रमाण साधारण २१ टक्के आहे. जसजसे आपण उंच जाऊ, तसतसे वातावरण विरळ होत जाते आणि हवेतील ऑक्सिजनचे प्रमाण कमी होऊ लागते. म्हणूनच विमान जेव्हा ३५-४० हजार फुटांवरून उडत असते, तेव्हा आतील प्रवाशांसाठी विमानात दाबाखाली हवा पुरविली जाते आणि ऑक्सिजनचे प्रमाण हवे तेवढे राखले जाते. विमानात प्रवासी बसल्यावर ते उडण्यापूर्वी सुरक्षिततेसंबंधी सूचना दिल्या जातात. विमानातील हवेचा दाब कमी झाला तर ऑक्सिजन मुखवटा वरच्या भागातून आपल्यासमोर येईल आणि तो कसा वापरायचा, ही त्यातील एक महत्त्वाची सूचना असते; ती ऑक्सिजनचे जीवनाला असणारे महत्त्व जाणूनच! उंच शिखरांवर गिर्यारोहण करताना ऑक्सिजन नळकांडी बरोबर न्यावी लागतात. याचे कारण फुप्फुसांना कमी ऑक्सिजनच्या पातळीशी जमवून घ्यायला थोडा वेळ लागतो. ऑक्सिजन काही मिनिटे जर आपल्याला मिळाला नाही, तर आपण गुदमरतो आणि कदाचित त्यात मृत्यूदेखील ओढवू शकतो.
प्रत्येक माणूस २४ तासांत सरासरी २१ हजार श्वास घेतो. त्याचे वजन भरते २.८ किलोग्रॅम आणि बाजारभावाने किंमत होते २१ हजार रुपये! म्हणजेच श्वासागणिक एक रुपया आपण आपल्या सृष्टीला द्यायला हवा. हा रुपया प्रत्यक्ष द्यायचा नसतो, तर झाडे लावून आणि झाडे जगवून द्यायचा असतो. कारण प्रत्येक वृक्ष प्रकाश संश्लेषणाच्या माध्यमातून निसर्गात ऑक्सिजन मुक्त करीत असतो. आपल्या शरीराला शुद्ध ऑक्सिजन मात्र चालत नाही. म्हणून त्याचे हवेतील प्रमाण नियंत्रित करण्याचे कार्य नायट्रोजन करीत असतो. या नायट्रोजनचे हवेतील प्रमाण ७८ ते ७९ टक्के असते. ऑक्सिजनचे मुक्त अणू शरीराला घातकदेखील असतात. हे मुक्त अणू शरीरातील जैवरासायनिक क्रियांमध्ये मुक्त होत असतात. त्यांचा घातक परिणाम टाळण्यासाठी आपल्याला अँटी-ऑक्सिडंट पदार्थाची गरज असते.
ऑक्सिजनचा नेमका उपयोग शरीरातील अनेक जैवरासायनिक क्रियांना होतो. ऑक्सिजनचे महत्त्वाचे कार्य म्हणजे अन्नपचनासाठी ज्या जैवरासायनिक क्रिया शरीरात होत असतात, त्यात अंतिम इलेक्ट्रॉन शोषक म्हणून तो लागतो. या क्रियांमधून एटीपी म्हणजे अ‍ॅडीनोसिन ट्राय फॉस्फेट या ऊर्जायुक्त रेणूंची निर्मिती होत राहते आणि त्यात साठवून ठेवलेली ऊर्जा शरीराच्या रोजच्या कार्यासाठी लागेल तशी वापरली जाते. ऑक्सिजनच्या बदलत्या प्रमाणाला आपल्या शरीरातील पेशी नेमका कसा प्रतिसाद देतात, त्याचे अस्तित्व नेमके कसे ओळखतात, याबद्दल आतापर्यंत स्पष्टता नव्हती.
१९३१ सालचे वैद्यकीय क्षेत्रातील नोबेल पारितोषिक डॉ. ओट्टो वॉरबर्ग यांना देण्यात आले होते. पेशींमधील अन्नाचे ऊर्जेत रूपांतर होण्यासाठी शरीरातील ऑक्सिजनच्या साहाय्याने ज्या जैवरासायनिक प्रक्रिया होतात, त्या विकरांमुळे घडत असतात, असे त्यांनी दाखवून दिले होते. या अभ्यासासाठी जे उपकरण त्यांनी योजिले होते, त्याला त्यांच्या स्मृतिप्रीत्यर्थ ‘वॉरबर्ग उपकरण’ असे संबोधले जाते. मात्र, आता हे उपकरण कालबाहय़ झाले.
आपण नाकाने श्वास घेतो, तो वायूनलिकेवाटे फुप्फुसांमध्ये जातो आणि तिथून तो रक्तात मिसळतो, अशी ढोबळ माहिती सर्वाना असते. रक्तातील हिमोग्लोबिनमार्फत हा ऑक्सिजन पेशींपर्यंत पोहोचविला जातो. कोणत्या पेशींना किती आणि केव्हा ऑक्सिजन पोहोचवायचा, हे कसे ठरते? जीवाची उत्क्रांती होत असताना विविध अवयवांना आणि पेशींना जास्तीत जास्त ऑक्सिजन कसा पोहोचविला जाईल, या दृष्टीने अनेक बदल होत गेले. मानवी शरीरात रासायनिक संदेश स्वीकारू शकणारा ‘कॅरोटिड’ नावाच्या पेशींचा एक समूह मानेतील कॅरोटिड आर्टरी (रोहिणी)च्या जवळ असतो. या पेशी या रोहिणीमधून वाहणाऱ्या रक्तातील ऑक्सिजन आणि कार्बन डायऑक्साइड यांच्या प्रमाणावर देखरेख करीत असतात. त्यांच्या संदेशाबरहुकूम आपल्या श्वासोच्छ्वासाचा वेग कमी-जास्त होत राहतो. सन १९३८ साली डॉ. कॉर्नली हेमन्स यांना कॅरोटिड पेशींच्या या कार्याच्या अभ्यासासाठी वैद्यकीय क्षेत्रातील नोबेल पारितोषिक जाहीर झाले होते.
रक्तातील ऑक्सिजनची पातळी कमी झाली, तर त्यावर कॅरोटिड पेशींचे नियंत्रण असतेच; त्याशिवाय आणखी काही शरीरशास्त्रीय बदलदेखील त्यामुळे होत असतात. जेव्हा रक्तातील ऑक्सिजनचे प्रमाण एका ठरावीक दर्शक अंकाच्या खाली जाते, तेव्हा त्या स्थितीला ‘हायपॉक्सिक स्थिती’ असे म्हणतात. अशी स्थिती निर्माण झाली की, ‘इरिथ्रोपॉयटिन’ नावाच्या संप्रेरकाचे रक्तातील प्रमाण वाढू लागते. हे वाढीव प्रमाण लाल पेशींच्या निर्मितीत वाढ करण्यासाठीचा संकेत असतो. लाल रक्त पेशींच्या निर्मितीतील इरिथ्रोपॉयटिन संप्रेरकाचा सहभाग खरं तर विसाव्या शतकातच समजला होता; पण त्यात ऑक्सिजन नेमका कुठे कळ दाबतो, ते गुपित मात्र समजले नव्हते.
डॉ. ग्रेग सिमेंझा यांनी इरिथ्रोपॉयटिनच्या निर्मितीसाठी जबाबदार असलेल्या जनुकाचा अभ्यास केला. त्याच्या कार्यात ऑक्सिजनच्या बदलत्या प्रमाणामुळे कसे नियंत्रण केले जाते, हा त्यांच्या अभ्यासाचा मुख्य उद्देश होता. यासाठी या जनुकात बदल घडवून आणलेल्या उंदरांचा वापर करून या जनुकाच्या पुढे असलेले डीएनए धाग्याचे काही घटक हायपॉक्सिक अवस्थेत कार्यरत होऊन नियंत्रणाच्या कार्यात मदत करतात, असे त्यांना दिसले. डॉ. पीटर रॅटक्लिफ यांनीही इरिथ्रोपॉयटिन जनुकांवरील ऑक्सिजनवर अवलंबून असलेल्या नियंत्रणाचा अभ्यास करून- ही प्रणाली इरिथ्रोपॉयटिन जरी मूत्रिपडांमध्ये निर्माण होत असले तरी फक्त तिथेच कार्यरत नसून शरीरातील सर्व उतींमध्ये असल्याचे दाखवून दिले.
डॉ. सिमेंझा यांनी आपले लक्ष पेशींमधील कोणत्या प्रणाली या नियंत्रणात महत्त्वाची भूमिका बजावत असतात याकडे केंद्रित केले. यकृताच्या पेशींना स्वतंत्रपणे प्रयोगशाळेत वाढवून, त्यात त्यांना या जनुकाच्या पुढील डीएनए धाग्याच्या घटकांना बांधणारा प्रथिनांचा समूह मिळाला. ही बांधणी ऑक्सिजनच्या पेशीतील प्रमाणावर अवलंबून आहे असे त्यांना आढळून आले. या प्रथिन समूहाला त्यांनी ‘हायपॉक्सिया उद्दीपन घटक’ (एचआयएफ) असे नाव दिले. या समूहाला त्यांनी शुद्ध स्वरूपात मिळविण्याचे प्रयत्न सुरू केले आणि सन १९९५ मध्ये त्यांनी आपली निरीक्षणे शास्त्रीय नियतकालिकामध्ये प्रसिद्ध केली. त्यात त्यांनी या प्रथिन समूहनिर्मितीस जबाबदार असलेले जनुकदेखील निर्देशित केले होते. या प्रथिन समूहात मुख्यत: दोन वेगवेगळी डीएनएबरोबर बांधणी करू शकणारी प्रथिने होती; एकाला त्यांनी ‘एचआयएफ-१अल्फा’, तर दुसऱ्याला ‘एआरएनटी’ अशी नावे दिली. यामुळे या विषयात पुढील अभ्यासाला गती मिळाली.
जेव्हा ऑक्सिजनचे प्रमाण पुरेसे किंवा त्यापेक्षा थोडे अधिक असते, तेव्हा पेशींमधील ‘एचआयएफ-१अल्फा’चे प्रमाण नगण्य असते. पण जसजसा ऑक्सिजन वापरला जातो, तसतसे ‘एचआयएफ-१ अल्फा’चे प्रमाण वाढू लागते आणि ते इरिथ्रोपॉयटिन जनुकाचे कार्य नियंत्रित करते. या ‘एचआयएफ-१अल्फा’ प्रथिनांचे जलद विघटन होत असते; पण ऑक्सिजन कमी असेल तर मात्र असे विघटन रोखले जाते आणि अधिक ऑक्सिजनपुरवठा व्हावा म्हणून इरिथ्रोपॉयटिन जनुक शरीराच्या केंद्रस्थानी संदेश पाठवू लागते. अ‍ॅरॉन सिचांओव्हर, अवराम हेरष्को व आयर्विन रोज यांनी- पेशीतील ऑक्सिजनचे प्रमाण योग्य असेल तर ‘एचआयएफ-१अल्फा’ या प्रथिनाचे विघटन करण्यात ‘प्रोटियासोम’ नावाची पेशीतील प्रणाली महत्त्वाचे कार्य करते, हे सिद्ध केले होते आणि त्यासाठी त्यांना सन २००४ साली रसायनशास्त्रातील नोबेल पारितोषिक जाहीर झाले होते. या विघटनात ‘युबिक्विटीन’ नावाचे प्रथिन प्रोटियासोम प्रणालीत महत्त्वाचे कार्य बजावीत असते. हे युबिक्विटीन ‘एचआयएफ-१अल्फा’ घटकाशी नेमके कसे बांधले जाते आणि त्याच्याशी ऑक्सिजनच्या प्रमाणाचा काय संबंध असतो, हे मात्र गुलदस्त्यात होते.
या प्रश्नाचे उत्तर वेगळ्याच दिशेला सापडले! जेव्हा डॉ. सिमेंझा आणि रॅटक्लिफ आपल्या संशोधनाचे कार्य करीत होते, तेव्हा अमेरिकेमध्ये डॉ. विलियम केलीन हे ‘व्हॉन हिप्पेल लिंडा’ नावाच्या आनुवंशिक रोगावर संशोधन करीत होते. या रोगामुळे एकूणच प्रतिकारशक्ती कमी होऊन त्या कुटुंबामध्ये कर्करोग होण्याचा धोका खूप वाढतो. ज्या कुटुंबांमध्ये व्हॉन हिप्पेल लिंडा रोगाशी संबंधित जनुकात उत्परिवर्तन होतात, त्या कुटुंबांमध्ये कर्करोग होण्याची दाट शक्यता असते. या जनुकामुळे जे प्रथिन बनते, त्यात कर्करोग थांबविण्याची क्षमता असते. पण त्यात उत्परिवर्तन झाले, तर ते प्रथिन बनत नाही किंवा वेगळ्या प्रकारचे प्रथिन बनते आणि त्यात कर्करोग थांबविण्याची क्षमता नष्ट होते किंवा नसते. डॉ. केलीन यांनी असेही सिद्ध केले की, ज्या कर्करोगाच्या पेशीत हे जनुक उत्परिवर्तनामुळे कार्यरत नसते, त्या पेशीत हायपॉक्सिक अवस्था निर्माण करणारी जनुके अधिक कार्यशील बनतात. अशा पेशींमध्ये जर व्हॉन हिप्पेल लिंडा रोखणारे जनुक पुन्हा टाकले, तर त्या कर्कपेशींमधील हायपॉक्सिक अवस्था कमी झाली आणि त्यांची कर्करोग निर्माण करण्याची क्षमता नष्ट झाली. म्हणजेच व्हॉन हिप्पेल लिंडा या रोगप्रतिकारक जनुकाचा हायपॉक्सिक अवस्था कमी किंवा नष्ट करण्यासाठी जी यंत्रणा असते तिच्याशी संबंध होता. यावर आणखी काही संशोधनांमधून असे लक्षात आले की, व्हॉन हिप्पेल लिंडा प्रतिकारक जनुकाने निर्माण केलेले प्रथिन आणि युबिक्विटीनचा जवळचा संबंध आहे. डॉ. रॅटक्लिफ यांनी यानंतर – व्हॉन हिप्पेल लिंडा प्रतिकारक जनुकाचे प्रथिन ‘एचआयएफ-१अल्फा’ यांची परस्पर क्रिया घडते आणि ऑक्सिजनचे प्रमाण योग्य असेल तर त्यामुळे ‘एचआयएफ-१अल्फा’चे विघटन घडून येते, हे सिद्ध केले. म्हणजेच व्हॉन हिप्पेल लिंडाचे रोगप्रतिकारक जनुक आणि ‘एचआयएफ-१अल्फा’ यांचा परस्पर संबंध यातून प्रस्थापित झाला.
हे कोडे आता उलगडत चालले होते. पण अजून ऑक्सिजनचे प्रमाण व्हॉन हिप्पेल लिंडा प्रतिकारक जनुक आणि ‘एचआयएफ-१अल्फा’ यांमधील परस्पर क्रिया कसे नियंत्रित करते, ते अजून समजले नव्हते. व्हॉन हिप्पेल लिंडा प्रतिकारक जनुकाच्या प्रथिनामुळे ‘एचआयएफ-१अल्फा’ प्रथिनांचे विघटन होण्यासाठी त्याचा नेमका कोणता भाग संवेदनशील असतो, त्यावर आता संशोधनाचा रोख केंद्रित करण्यात आला. डॉ. केलीन आणि रॅटक्लिफ या दोघांनाही असे वाटत होते की, ऑक्सिजनला जो प्रतिसाद मिळतो, तो या प्रथिनामध्येच असलेल्या कोणत्या तरी संवेदनशील भागाशी संबंधित आहे. सन २००१ मध्ये या दोघांनी एकाच वेळी आपापले शोधनिबंध प्रसिद्ध केले. त्यात त्यांनी पेशींमध्ये ऑक्सिजनचे योग्य प्रमाण असेल तर ‘एचआयएफ-१अल्फा’ या प्रथिनांत विशिष्ट जागी हायड्रोक्सिल घटक टाकले जातात. या क्रियेला रासायनिक भाषेत ‘प्रोलील हायड्रोक्सिलेशन’ असे नाव आहे. मग असा रचनेत बदल झालेले ते प्रथिन व्हॉन हिप्पेल लिंडा प्रतिकारक जनुकाच्या प्रथिनाला ओळखता येते आणि त्याला ते बांधून टाकते. मग त्याचे विघटन होते. प्रोलील हायड्रोक्सिलेशन क्रियेसाठी जी विकर लागतात, त्यांच्या मदतीनेच ‘एचआयएफ-१अल्फा’चे विघटन होते. म्हणजेच योग्य तेवढे ऑक्सिजनचे प्रमाण हे विघटन घडवून आणते. त्यानंतरच्या संशोधनात ‘प्रोलील हायड्रोक्सिलेज’ या विकरांची रासायनिक रचना समजली. म्हणजेच आता ऑक्सिजन संवेदन प्रणालीचे गूढ उलगडले होते! या संशोधनातून आता अ‍ॅनीमिया, कर्करोग आणि इतर अनेक रोगांवर मात करण्यासाठी नवीन वाटा सापडतील, असा शास्त्रज्ञांचा विश्वास आहे.
(लेखक भाभा अणुसंशोधन केंद्र, मुंबई येथील निवृत्त वैज्ञानिक आहेत.)
sharadkale@gmail.com
