छायाचित्र: अन्स्प्लाश आणि राष्ट्रीय कर्करोग संस्था यांच्या सहयोगाने
ज्याप्रकारे लोहचुंबकाच्या मदतीने गवताच्या गंजीत सुई शोधता येते तद्वतच, वेगवेगळे रेणू असलेल्या द्रावणामधील विशिष्ट, सूक्ष्मातिसूक्ष्म रेणू शोधण्यासाठी जीवशास्त्रज्ञ बायोसेन्सरचा वापर करतात. या सेन्सरमध्ये खास संरचना असलेले रेणू म्हणजेच ग्रहणक (रिसेप्टर्स) असतात, जे द्रावणातील निवडक रेणूंशी संलग्न होऊ शकतात. सजीवांच्या पेशींमधील केंद्रकात असलेल्या डीएनएमध्ये भरघोस जनुके असतात. जनुकांच्या या भाऊगर्दीत अनेकदा उत्परीवर्तनामुळे (Mutation) सूक्ष्म बदल झालेले जनुक असणाऱ्या डीएनएचा शोध घेणे फार कठीण असते. या आणि अशा काही उपयोगांसाठी अत्यंत संवेदनशील बायोसेन्सर आवश्यक असतात.
एका नवीन अभ्यासानुसार, भारतीय तंत्रज्ञान संस्था, मुंबई (आयआयटी बॉम्बे) च्या संशोधकांनी बायोसेन्सर्सची संवेदनशीलता मोजण्यासाठी आणि त्यात सुधारणा करण्यासाठी एक सैद्धांतिक पद्धत सादर केली आहे. एखाद्या द्रावणामध्ये विपुल असलेल्या इतर रेणूंच्या मिश्रणातील सूक्ष्म प्रमाणात असलेले इच्छित रेणू शोधण्यासाठीचे निर्णायक मापदंड या पद्धतीमध्ये सुचवले आहेत. हा अभ्यास एसीएस सेन्सर्स (ACS Sensors) या नियतकालिकात प्रकाशित करण्यात आला असून या कार्यास डीएसटी इन्स्पायर फॅकल्टी फेलोशिप आणि विश्वेश्वरय्या यंग फॅकल्टी फेलोशिप यांच्याकडून अर्थसहाय्य मिळाले होते.
सामान्यत: वापरल्या जाणाऱ्या बायोसेन्सरला ‘एंडपॉईंट सेन्सर’ असे म्हणतात. याच्या कार्यपद्धतीमध्ये विशिष्ठ निर्धारित वेळेनंतर सेन्सरच्या पृष्ठभागावर जमा झालेल्या रेणूंच्या एकूण संख्येवरून द्रावणातील इच्छित रेणूच्या प्रमाणाचा अंदाज बंधला जातो. या प्रक्रियेमध्ये काहीवेळा मोजणीच्या विशिष्ट वेळेला ग्रहणकाला जोडले गेलेले इतर रेणू चुकून मोजले जातात आणि जे या वेळेआधी ग्रहणकापासून पृथक झालेले असतील ते इच्छित रेणू मोजणीतून निसटतात. जर एखाद्या द्रावणामध्ये इच्छित रेणूंपेक्षा इतर रेणूंचे प्रमाण खूप जास्त असेल तर एंडपॉईंट सेन्सर वापरून केलेल्या प्रयोगामध्ये गंभीर त्रुटी राहू शकतात.
याउलट, ‘डायनॅमिक ट्रॅकिंग बायोसेन्सर’ हे ग्रहणक आणि रेणू यांच्यातील आंतरक्रियेविषयीची त्याच वेळी माहिती देतात. त्यामुळे संबंधित रेणू आणि ग्रहणक यांच्यात वेळोवेळी होणार्‍या आंतरक्रियेचा शोध घेता येतो आणि द्रावणातील इच्छित रेणूंची अधिक अचूक गणना करण्यासाठी या माहितीची संशोधकांना मदत होते.
“एंडपॉईंट सेन्सर किंवा डायनॅमिक ट्रॅकिंग बायोसेन्सरद्वारे शेवटी रेणूंचे प्रमाणच कळते. परंतु यापैकी नक्की कोणता पर्याय स्वीकारायचा हे ठरवताना, प्रयोगाच्या स्थिरतेसाठी आवश्यक असलेली निरीक्षणे प्राप्त करण्यास लागणारा वेळ, इच्छित रेणूचे प्रमाण शोधण्यातील मर्यादा, तसेच तंत्रज्ञानाची जटिलता आणि आर्थिक बाबींचा विचार केला जातो”, असे प्रा. प्रदीप नायर यांनी स्पष्ट केले. प्रा. प्रदीप नायर हे भारतीय तंत्रज्ञान संस्थेमध्ये सहयोगी प्राध्यापक असून प्रस्तुत अभ्यासाचे ज्येष्ठ लेखक आहेत.
डायनॅमिक ट्रॅकिंग बायोसेन्सरमध्ये, इच्छित रेणू आणि ग्रहणक यांच्यातील विशिष्ट प्रकारच्या आंतरक्रियेमुळे, इच्छित रेणू ग्रहणकावर दीर्घ काळ चिकटून राहू शकतात तर इतर रेणू लवकरच पृथक होतात. यामुळे ग्रहणक आणि रेणू यांच्यात होणाऱ्या आंतरक्रियेच्या कालावधीवरून इच्छित आणि इतर रेणूंमधील फरक सुस्पष्ट होतो.
रेणूंच्या या दोन श्रेणींमधील फरक ठामपणे ओळखू शकेल अशी ठराविक कालमर्यादा निर्धारित करण्यासाठी संशोधकांनी एक गणिती मॉडेल तयार केले. यात हेतुपुरस्सर ठरवलेल्या कालमर्यादेपेक्षा जास्त काळ ग्रहणकाला जोडल्या गेलेल्या कोणत्याही रेणूंना इच्छित रेणू मानले जाते आणि त्यांचे मूल्य शेवटी इच्छित रेणूंच्या प्रमाणाची गणना करताना ग्राह्य धरले जाते. हे मॉडेल, अनुक्रमे इच्छित आणि इतर रेणूंना जोडल्या गेलेल्या ग्रहणकांची एकूण संख्या तसेच या दोन्ही प्रकारच्या रेणूंना पृथक्करणासाठी लागलेला वेळ, जो त्यांनी ग्रहणकापासून पृथक होण्यासाठी घेतलेल्या परस्पर सरासरी वेळेच्या व्यस्त प्रमाणात असतो, इत्यादींची माहिती विचारात घेते.
संशोधकांना असेही आढळले की इच्छित रेणू आणि ग्रहणक यांच्या दरम्यानच्या रासायनिक संलग्नतेचा तपशील नसताना देखील हे मॉडेल ठराविक कालमर्यादेचा अंदाज लावू शकते. हे सिद्ध करण्यासाठी त्यांनी वेगवेगळे प्रयोग केले, ज्यात कधी केवळ इच्छित रेणूचा पृथक्करणाचा दर माहित होता तर कधी दोन्ही प्रकारच्या रेणूंबद्दल कोणतीच माहिती उपलब्ध नव्हती. यातून त्यांनी ग्रहणकावर होणार्‍या सर्व पृथक्करणाच्या घटनांचा मागोवा घेतला. वरील दोन्ही प्रयोगांमध्ये, इच्छित रेणूंच्या प्रमाणाचा अंदाज घेण्यासाठीची ठराविक कालमर्यादा त्यांच्या गणिती मॉडेलने भाकीत केलेल्या मूल्याइतकीच होती.
“जेव्हा इच्छित आणि इतर रेणूंच्या ग्रहणकाला चिकटून राहण्याच्या प्रवृत्तीमध्ये फरक असतो तेव्हाच हे मॉडेल वापरून ठराविक कालमर्यादेचे भाकीत वर्तवता येते. उदाहरणार्थ, जर इच्छित आणि इतर हे दोन्हीही रेणू ग्रहणकाला पन्नास सेकंदासाठी चिकटून राहत असतील, तर त्या दोघांमधील फरक सांगता येणे शक्य नाही.” असे प्राध्यापक नायर पुढे म्हणाले.
ही सर्व गणना सैद्धांतिकदृष्ट्या अगदी अचूक असली, तरीही तिच्या व्यावहारिक उपयोगात त्रुटी आढळण्याची शक्यता नेहमीच असते. डायनॅमिक ट्रॅकिंग हे बायोसेन्सरमधील ग्रहणकांच्या कालबद्ध निरीक्षणाच्या तत्त्वावर कार्य करते. यात प्रामुख्याने दोन ठिकाणी चुका होऊ शकतात: एक म्हणजे, ग्रहणक आणि रेणू यातील आंतरक्रिया पडताळण्यासाठी घालवलेला वेळ आणि दोन, छाननीत असलेल्या ग्रहणकांची एकूण संख्या. संशोधकांना हे दोन्ही घटक आणि मोजमापातील त्रुटी यात व्यस्त संबंध दिसला. म्हणूनच, ग्रहणकांची संख्या किंवा आंतरक्रियेसाठी दिलेला वेळ हे दोन्ही घटक पुरेसे जास्त वाढवल्यास प्रयोगात कमी चुका होतील. तथापि, दीर्घ कालावधीसाठी प्रत्येक ग्रहणकावरील हरेक पृथक्करण प्रक्रिया मोजणे तांत्रिकदृष्ट्या आव्हानात्मक आहे.
संशोधकांचे म्हणणे आहे की, डायनॅमिक ट्रॅकिंग तंत्रज्ञानात सुधारणेला वाव आहे. “उदाहरणार्थ, आम्हाला ग्रहणक आणि रेणूंच्या चिकटून राहण्याच्या आणि पृथक होण्याच्या घटनांवर नियमित लक्ष कसे ठेवावे आणि कार्यक्षम निरीक्षणासाठी इच्छित रेणूंना कसे टॅग करावे यांची उत्तरे शोधण्यासाठी अधिक प्रयत्न करणे आवश्यक आहे.", असे प्रा. नायर सांगतात. “परंतु अंत्यबिंदू शोधण्याच्या इतर पद्धतींच्या तुलनेत हे तंत्रज्ञान खूप विकसित झालेले असेल आणि शोध मर्यादेशी संबंधित त्रुटी हाताळण्याच्या बाबतीतही उत्कृष्ट असेल. "तथापि, नजीकच्या भविष्यकाळात ग्लूकोज बायोसेन्सर सारख्या नेहमीच्या उपयोगांसाठी या तंत्रज्ञानाचा वापर होऊ शकेल की नाही याबद्दल मात्र त्यांनी शंका व्यक्त केली. “पण मला खात्री आहे की हे एक प्रभावी आणि अत्यंत संवेदनशील तंत्रज्ञान असेल,” असे ते शेवटी म्हणाले.