यंदाचे जीवशास्त्रातील नोबेल पारितोषिक

इसवी सन दोनहजार बाराचे शरीरक्रियाशास्त्रीय वैद्यकशास्त्र या विषयातले नोबेल पारितोषिक ब्रिटिश जीवशास्त्रज्ञ सर जॉन गर्डन आणि जपानी जीवशास्त्रज्ञ शिन्या यामानाका ह्या दोघांना प्रौढ पेशीपासून बहुशक्तिक पेशी बनवण्यासाठी देण्यात आले. ह्यातील प्रौढ पेशी आणि बहुशक्तिक पेशी म्हणजे काय आणि एका प्रकारच्या पेशीचे रूपांतर दुसरीत कशासाठी करायचे हे समजून घेण्यासाठी हा लेख.
आपल्या शरीरात साधारण चारशे प्रकारच्या पेशी असतात. प्रत्येक प्रकाराचे काम ठरलेले असते. उदाहरणार्थ लाल रक्तपेशी प्राणवायू वाहून नेतात तर शेत रक्तपेशी शरीराचे जन्तूंपासून रक्षण करतात. तसेच स्नायुपेशी, अस्थिपेशी, मज्जारज्जूधील पेशी या सर्वांचे काम आणि त्यांची रचना परस्परांहून अगदी भिन्न असते. ह्या इतक्या प्रकारच्या पेशी कश्या बनतात, त्या आयुष्यभर बनत असतात की एकदा बनून त्याच आयुष्यभर वापरल्या जातात, एका प्रकारच्या पेशीपासून दुसऱ्या प्रकारची पेशी बनवता येते का, म्हणजे लाल रक्तपेशी आयुष्यभर लाल रक्तपेशीच राहते की कधी कधी रक्तवाहिनी बनवण्याचेही काम करते, एका फलित बीजापासून (युग्मनज जी मुळात एक पेशीच असते) संपूर्ण शरीर बनते, त्याचप्रमाणे शरीरातून कोणतीही एक पेशी घेऊन व्यक्तीचे संपूर्ण शरीर बनवता येईल का, नाही तर निदान एखादा अवयव तरी बनवता येईल का ? अशा अनेक प्रश्नांचा अभ्यास संशोधक करीत आहेत आणि ह्यांतील काही प्रश्नांची उत्तरे डॉ गर्डन आणि डॉ यामानाका यांच्या संशोधनातून मिळाली आहेत. कुठल्याही व्यक्तीमधील सर्व पेशींचा उगम ही एक मूल पेशी असते जी स्त्रीबीज आणि शुक्राणू यांच्या संयोगाने बनते, ही पेशी म्हणजेच फलित बीज (युग्मनज) होय. ही पेशी शरीरातील सर्व पेशी तर बनवतेच पण त्याच बरोबर गर्भाच्या वाढीसाठी आवश्यक अशा इतर ऊति जसे की उल्व कोश (अम्निओटिक सॅक), कोरिओन आणि नाळ यांचा काही भाग बनवू शकते. ह्या पेशीला पूर्णविभवी पेशी असे म्हणतात. ही पेशी विभागून तिच्या दोन पेशी बनतात, दोन विभागून चार बनतात आणि अशा त-हेने भ्रूण वाढू लागतो. सुरुवातीला ह्या सर्वक्षम पेशी विभागून बनलेल्या सर्व पेशी पूर्णविभवी असतात. म्हणजे ह्या पेशी फलित बीजाप्रमाणे सर्व प्रकारच्या पेशी बनवू शकतात. वाढीच्या एका विशिष्ट टप्प्यानंतर ह्या पूर्णविभवी पेशी भ्रूणाचा बाहेरील स्तर बनविण्याची आपली क्षमता गमावतात, मात्र माणसाच्या शरीरातील इतर सर्व पेशी बनवायची क्षमता राखून असतात. आता ह्या पेशींना बहुशक्तिक पेशी म्हणतात. म्हणजे माणसाच्या शरीरातील इतर सर्व प्रकारच्या पेशी बनवायची क्षमता असलेली पेशी. ह्या बहुशक्तिक पेशी विभागत जाऊन पुढील वाढ होते आणि पेशींचा एक चेंडू बनतो. नंतर ह्या चेंडूतील बाहेरील स्तरामधील पेशी वगळता आतील प्रत्येक पेशीला एक ठराविक काम दिले जाते, उदा. काही पेशी मेंदू बनवण्याच्या कामाला लागतात तर काही पचनसंस्था बनवू लागतात. जसजश्या ह्या पेशींची विशेषज्ञता वाढत जाते तसतशी त्यांची शरीरातील इतर पेशी बनवण्याची क्षमता नाहीशी होते. आता त्या फक्त एका विशिष्ट ऊतीमधील पेशीच बनवू शकतात. आता त्यांना बहुविभवी पेशी असे म्हटले जाते. शेवटी ह्या पेशींचे काम इतके ‘स्पेशलाईस्ड’ होते की त्याच्यामध्ये फक्त एकाच प्रकारच्या पेशी बनवण्याची क्षमता उरते. अशा पेशींना एकविभवी पेशी असे म्हणतात. या पेशीपासून पुढे प्रौढ पेशी बनतात, ज्यांधे त्या ऊतीचे कार्य पार पाडण्याची क्षमता असते. अशी ही सगळी पेशींची यंत्रणा आपल्या शरीरात असते. ह्यांच्यामधील एका पेशीपासून दुसरी पेशी बनत असताना तिच्यात अनेक बदल घडतात. तिच्यातील रसायने, प्रथिने, कर्बोदके, मेद, इत्यादींची मात्रा व स्वरूप बदलत जाते आणि त्या अनुषंगाने तिची रचना व कार्यदेखील. शेवटी जेव्हा बाळ जन्माला येते तेव्हा त्याच्यात काही बहुविभवी पेशी (उदा., रक्त किंवा यकृत बनवणाऱ्या पेशी ) आणि अनेक प्रकारच्या एकविभवी पेशी (त्वचेतील व आतड्यातील मूल पेशी) असतात. ह्या मूल पेशी पूर्ण नवीन माणूस बनवू शकत नाहीत पण त्या शरीरातील पेशींची झीज भरून येण्यासाठी आवश्यक अशा नवीन पेशी/ऊति तयार करतात. त्यांचे हे काम आपल्या शरीरात सतत चालू असते. निसर्गात ह्या सगळ्या प्रक्रियेला एकच दिशा असते, पूर्णविभवी पेशीची बहशक्तिक पेशी होणार, बहशक्तिकची बहुक्षम पेशी होणार, त्यातून पुढे एकविभवी पेशी आणि त्यापासून ठरलेले एकाच प्रकारचे काम करणारी प्रौढ पेशी बनते. निसर्गात ह्या प्रवासाची दिशा कधीही उलटी होऊ शकत नाही म्हणजेच प्रौढ पेशी पासून बहुशक्तिक पेशी बनू शकत नाही. ह्याच कारणामुळे आपली त्वचा निघाली तर ती परत बनू शकते, कारण त्वचेतील एकविभवी पेशी नवीन त्वचा बनवू शकतात. एखाद्या व्यक्तीचा हात किंवा पाय मोडला तर मात्र त्याच्या जागी नवीन अवयव तयार करण्याचे काम ह्या प्रौढ पेशींना करता येत नाही. त्यासाठी बहशक्तिक पेशींचीच आवश्यकता असते. नेके हेच काम, म्हणजे त्वचेतल्यासारख्या प्रौढ पेशीचे रूपांतर बहशक्तिक पेशीमध्ये करणे गर्डन आणि यामानाका ह्यांच्या संशोधनामुळे शक्य झाले आहे. प्रत्येक पेशी ही एकविभवी होणार का बहुशक्तिक, एकविभवी असेल तर ती त्वचेतील पेशी तयार करणार की मेंदूतील, हे ठरविण्यासाठी त्या त्या पेशीमध्ये एक ठराविक प्रोग्राम असतो. प्रत्येक पेशीमध्ये केंद्रक असते ज्यात पेशीमधील सर्व जनुके साठवून ठेवलेली असतात. प्रत्येक जनुकात एक विशिष्ट प्रकारचे प्रथिन बनवण्याचा संकेतांक असतो. एक ठराविक पेशीमध्ये एका ठराविक संचातील जनुकांचाच संकेतांक वापरला जातो. म्हणजे लाल रक्तपेशी आणि शेत रक्तपेशीमध्ये वेगवेगळा जनुकांचा कोड वापरात असतो. त्या त्या पेशीत कोणती जनुके कार्यरत आहेत त्यावरून पेशी लाल होणार की पांढरी हे ठरते. डॉ गर्डन यांनी आपले संशोधन पन्नास वर्षांपूर्वी सुरू केले तेव्हा प्रचलित कल्पना अशी होती की जी जनके त्या त्या पेशीमध्ये जरुरीची आहेत, ती पेशीमध्ये ठेवली जातात, इतर गरज नसलेली जनुके टाकून दिली जातात. म्हणजे एका पेशीचे भवितव्य त्या पेशीतील जनुकाळे ठरले की इतर पेशी बनवण्यासाठी आवश्यक जनुके टाकून दिली जातील आणि त्यानंतर ती पेशी इतर कुठल्याच प्रकारच्या पेशीमध्ये रूपांतरित होऊ शकणार नाही. हे खरे आहे का हे पाहण्यासाठी डॉ गर्डन यांनी एक प्रयोग केला. त्यांनी बेडकातील एका प्रौढ पेशीचे केंद्रक काढले आणि ते बेडकाच्या अंड्यात घातले, ज्यातील केन्द्रक त्यांनी आधीच काढून टाकले होते. म्हणजे प्रौढ पेशीचा प्रोग्राम असलेले केंद्रक त्यांनी पूर्णविभवी पेशीमध्ये घातले! प्रचलित कल्पनेप्रमाणे आता अंड्याची विशेषज्ञ अशी प्रौढ पेशी बनायला हवी होती, पण तसे न होता त्या अंड्याची पूर्ण वाढ होऊन त्याचे बेडकाचे पिल्लू तयार झाले! हे पिल्लू प्रौढ पेशी देणाऱ्या बेडकाचा ‘क्लोन’ होते! पुढे हे बेडकाचे पिल्लू मोठे होऊन त्याला पिल्लेसुद्धा झाली. ह्या प्रयोगातून गर्डन यांनी दाखवून दिले की अनुकूल वातावरण मिळाल्यास बहशक्तिक पेशीतील पेशीद्रव्य प्रौढ पेशीतील ‘प्रोग्राम’ बदलू शकते आणि त्यातून त्या बहुशक्तिक पेशीप्रमाणे संपूर्ण प्राणी बनवू शकतात! म्हणजेच बहुशक्तिक पेशीपासून प्रौढ पेशीपर्यंत जाण्याची प्रक्रिया ही काही ‘वन वे ट्राफिक’ नसून काही वेळा ती उलट्या दिशेने देखील जाऊ शकते. अर्थात निसर्गात प्रौढ पेशीचे पेशीकेंद्र आपोआप दुसऱ्या पेशीमध्ये जाऊ शकत नाही त्यामुळे ही प्रक्रिया फक्त प्रयोगशाळेत घडते इतकेच! बेडकाच्या अंड्यात असे काय आहे ज्यामुळे प्रौढ पेशीचे केंद्रक असून सुद्धा ही पेशी बहुशक्तिक झाली, हे कळायला अजून ५० वर्षे जावी लागली. ह्या संशोधनातील एक महत्त्वाचा प्रयोग डॉ यामानाका यांनी २००६ मध्ये केला. या वेळपर्यंत अनेक शास्त्रज्ञांच्या प्रयोगांधून नवीन माहिती मिळालेली होती, मुख्य म्हणजे बहशक्तिक पेशी प्राण्याच्या शरीराबाहेर प्रयोगशाळेत कश्या वाढवायच्या ज्यायोगे त्यांच्यावर प्रयोग करता येतील कारण प्राण्यामध्ये प्रयोग करणे अवघड आहे – आणि ह्या बहुशक्तिक पेशीमध्ये कोणती जनुके असतात एवढे कळले होते पण त्यातील कोणती जनुके पेशीच्या बहुशक्तिक क्षमतेसाठी आवश्यक आहेत हे मात्र माहीत नव्हते. ह्या सगळ्या जनुकांधून बहुशक्तिक क्षमतेसाठी आवश्यक जनुके कोणती, हे शोधण्यासाठी यामानाका यांनी एक प्रयोग केला. त्यांनी बहुशक्तिक पेशीमध्ये कार्यरत असलेली २४ जनुके घेतली आणि वेगवेगळ्या combination मध्ये एका प्रौढ पेशीमध्ये म्हणजे उंदराच्या त्वचेच्या पेशीमध्ये घातली. अनेक वेगवेगळी combinations वापरल्यावर असे लक्षात आले की ह्या २४ पैकी चार जनुके घातली की त्वचेच्या प्रौढ पेशीचे बहुशक्तिक पेशीमध्ये रूपांतर होते. ह्या ‘बहुशक्तिक पेशी’ पासून एक संपूर्ण उंदीरही त्यांनी बनवला! म्हणजे स्त्रीबीज आणि शुक्राणू ह्यांच्यापासून प्राणी बनवायच्या ऐवजी त्वचेच्या पेशीपासून प्राणी बनवता येऊ शकतो हे त्यांनी दाखवून दिले! ही चार जनुके होती KIf4, जलीं४, चूल आणि Sox2. ही जनुके कुठल्याही प्रौढ पेशीत घातली तर त्या प्रौढ पेशीचे विविधक्षम पेशीमध्ये रूपांतर होते. असाच प्रयोग करून पुढे माणसाच्या त्वचेतील पेशीपासून सुद्धा विविधक्षम पेशी बनवता आल्या. अर्थात नैतिकतेच्या कारणांसाठी ह्या पेशींपासून कोणीही नवीन माणूस बनवलेला नाही ! ह्या संशोधनाचा आता उपयोग काय, आता कुठलीही पेशी घेऊन आपल्याला पाहिजे ती पेशी बनवता येईल का ? केस गळले तर नवीन केस बनवणारी पेशी मला । बनवून मिळेल का ? तर ह्याचे उत्तर नाही आणि हो असे दोन्ही आहे. तत्त्वतः हे शक्य आहे, आज माझ्या त्वचेतील पेशीपासून मज्जातंतु, रक्त पेशी, केस बनवणारी पेशी बनवता येऊ शकते पण ह्या प्रयोगामधील अनेक महत्त्वाच्या प्रश्नांची उत्तरे मिळायची आहेत. उदा. अशा पद्धतीने बनवलेल्या पेशी पूर्णपणे सुरक्षित असतात का (पुढील संशोधन दाखवते की ह्या पेशी पूर्णपणे सुरक्षित नसतात कारण अशा पेशींपासून कर्करोग होण्याची जास्त शक्यता असते ). दुसरा महत्त्वाचा प्रश्न आहे की ह्या प्रक्रियेची कार्यक्षमता कशी वाढवायची, म्हणजे त्वचेतील १००० पेशी घेतल्या तर त्यापासून किती लाल रक्तपेशी बनतील? सध्या जे तंत्र उपलब्ध आहे त्यातून माणसाच्या १००० प्रौढ पेशी घेतल्या तर त्यातून १-४ बहुशक्तिक पेशी बनतात. म्हणजे हे तंत्रज्ञान कार्यक्षम नाही. माणसाच्या शरिरात साधारण ३०० ट्रिलियन (तिनावर १४ शून्य ) पेशी असतात. ३०० ट्रिलियन नाही तरी १०% लाल रक्तपेशी बनवायचे ठरवले तरी हा आकडा होतो २ बिलियन, म्हणजे दोनावर १० शून्य इतक्या पेशी ! २ बिलियन ऐवजी समजा १ दशलक्ष (एकावर सहा शून्ये ) इतक्याच पेशी हव्या असतील तरी चार बहुशक्तिक पेशींपासून तेवढ्या बनवायला कमीतकमी २०-२५ दिवस लागतील. म्हणजे त्वचेचा तुकडा घेऊन त्यापासून १ दशलक्ष पेशी बनवायला साधारण ३-४ महिने लागू शकतात.
ह्या आकड्यांवरून लक्षात येईल की ह्या तंत्रज्ञानाची कार्यक्षमता वाढवणे किती आवश्यक आहे! ह्या शिवाय हेही लक्षात ठेवले पाहिजे की ह्या सर्व प्रयोगासाठी अतिविशेष साधनसामग्री आणि अद्ययावत प्रयोगशाळा असणे आवश्यक आहे. तसेच ह्या कामासाठी अत्यंत महाग रसायनांची गरज असते त्यामुळे पाहिजे त्या पेशी बनवायला जितके जास्त दिवस लागतील, तितका खर्च देखील जास्त होणार. तिसरी अडचण म्हणजे प्रौढ पेशीपासून बहुशक्तिक पेशी बनवायची युक्ती जरी आपल्याला कळली असली तरी ह्या पेशीचे हव्या त्या पेशीत रूपांतर कसे करायचे हे मात्र पूर्णपणे कळलेले नाही, म्हणजे हात तुटला तर हातातील सर्व वेगवेगळ्या प्रकारच्या पेशी कशा बनवायच्या आणि बनवल्यानंतर त्यांची योग्य ती रचना कशी करायची (हाडाच्या बाहेर स्नायू पाहिजेत, उलट असेल तर चालणार नाही) ह्याचे पूर्ण तंत्रज्ञान अजून आपल्याकडे नाही. ह्या प्रश्नांना उत्तरे मिळायला कदाचित अजून २०-२५ वर्षे लागू शकतात आणि हे तंत्रज्ञान वापरून नवीन अवयव बनवण्याचे स्वप्न पूर्ण होण्यासाठी अजून बरीच वर्षे वाट पहावी लागेल. पण हे तंत्रज्ञान वापरून उंदरामधील काही आजार (उदा. Sickle cell anaemia) बरे करता येतात हेही यामानाका यांनी दाखवून दिले आहे. पण त्याचा वापर माणसात सुरक्षितपणे आणि चांगल्या कार्यक्षमतेने करायला अजून काही वर्षे लागतील. अर्थातच ह्या प्रश्नांना न घाबरता संशोधकांनी ह्याचा अभ्यास सुरू केला आहे आणि हे तंत्रज्ञान वापरून एक वैद्यकीय चाचणी पुढच्याच वर्षी सुरूदेखील होणार आहे. जपानमध्ये रिकेन सेंटर मध्ये डोळ्यातील retinal pigmentepithelium” om retina मधील पेशी ह्या तंत्रज्ञानाने तयार करून अंध रुग्णामध्ये पुनरोपण करायची वैद्यकीय चाचणी पुढच्या वर्षी सुरू होणार आहे आणि जगातील सर्व संशोधक ह्या चाचणीच्या निकालाकडे लक्ष ठेवून असतील.
ह्या शोधांचा उपयोग फक्त उपचारासाठीच नाही तर इतर अनेक प्रकारच्या अभ्यासासाठी सुद्धा होत आहे. आता रुग्णाच्या स्वतःच्या पेशी वापरून त्याचे योग्य त्या प्रकारच्या पेशीत रूपांतर करता येईल; उदा त्वचेच्या पेशीपासून मज्जातंतू तयार करता येतील आणि neuro-degenerative आजार का आणि कसे होतात ह्याचा अभ्यास करता येईल. हा एक फार महत्त्वाचा उपयोग आहे. कारण आजाराचा अभ्यास करण्यासाठी रुग्णावर प्रयोग करता येत नाहीत आणि अनेक आजारांचा अभ्यास करायला योग्य ते प्राणी उपलब्ध नसतात. विशेषतः ज्यांच्याबद्दल आपल्याकडे अगदी थोडी माहिती आहे असा आजार झालेल्या रुग्णाच्या पेशी वापरून अभ्यास करता येईल. ह्या साठी रुग्णाच्या त्वचेची छोटी biopsy फक्त करावी लागेल तसेच ह्या पेशी वापरून एखादे नवे रसायन औषध म्हणून उपचारासाठी वापरता येऊ शकते की नाही याचाही अभ्यास करता येईल. हे अत्यंत महत्त्वाचे उपयोग आहेत कारण ह्या प्रयोगामध्ये प्राणी न वापरता आता रुग्णाच्या स्वतःच्या पेशी वापरल्या जातील. अनेकदा एखाद्या रसायनाचा प्राण्यावरील परिणाम आणि माणसावरील परिणाम यात खूप तफावत असते. रुग्णाच्याच पेशी मिळाल्यावर प्राण्यावर प्रयोग करणे आवश्यक राहणार नाही. गर्डन आणि यामानाका यांच्या संशोधनातून एक नवीन संकल्पना पुढे आली आहे की निसर्गातील पेशी बनविण्याऱ्या घड्याळाचे काटे उलटे फिरवता येतात. ह्या संशोधनामधून पेशींच्या विकास आणि वाढीबद्दल खूपच माहिती मिळाली आहे आणि ह्या माहितीचा उपयोग करून येत्या काही वर्षात नक्कीच अनेक नवीन उपचार पद्धती उपलब्ध होणार आहेत. जिज्ञासूंना पुढील संकेतस्थळावर आणखी माहिती मिळेल.
http://www.isscr.org/Resources.htm
http://health.nih.gov/topic/StemCellsStemCellTransplantation> लेखात वापरलेली परिभाषा इंग्रजीत अशी आहे –
• उल्व कोश – amniotic sac
• पेशीद्रव्य – cytoplasm
• भ्रूण – embryo
• प्रौढ पेशी – mature cell
• बहुविभवी – multipotent
• केंद्रक – nucleus
• बहुशक्तिक – pluripotent
• मूल पेशी – stem cell
• ऊति – tissue
• पूर्णविभवी – totipotent
• एकविभवी – unipotent
• फलित बीज (युग्मनज) – zygote
(इन्स्टिट्यूट फॉर स्टे सेल बायोलॉजी अँड रीजेनेरिटिव्ह मेडिसिन,बंगलोर) , गेन, दुरारा गजला, आर एग व्ही विरतार, बंगळूर