శోధనలకు మహా పట్టం!

కొవిడ్‌-19 టీకా రూపకల్పనకు బీజం వేసిన కాథలిన్‌ కరికో, డ్రూ వైజ్‌మెన్‌.. అతి స్వల్పకాల కాంతి ప్రచోదనాలను సృష్టించిన పియెర్‌ అగోస్టిని, ఫెరెన్స్‌ క్రౌజ్‌, ఆన్‌ లూయే.. క్వాంటమ్‌ డాట్స్‌ను రూపొందించిన మౌంగి బవెండీ, లూయిస్‌ బ్రస్‌, అలెగ్జీ ఎకిమోవ్‌.. వైద్య, భౌతిక, రసాయన శాస్త్ర రంగాల్లో ఈసారి నోబెల్‌ బహుమతులు అందుకున్న శాస్త్రవేత్తలు. పెను మార్పులకు శ్రీకారం చుట్టనున్న పరిజ్ఞానాలను ఆవిష్కరించిన ఘనులు. కొవిడ్‌ మహమ్మారి పీచాన్ని అణచివేసిన ఎంఆర్‌ఎన్‌ఏ పరిజ్ఞానం క్యాన్సర్ల చికిత్సలోనూ కొత్త ఆశలు కల్పిస్తుండగా.. అతి స్వల్పకాల కాంతి ప్రచోదనాలు జబ్బులను సత్వరం గుర్తించే పరీక్షలకు మార్గం వేస్తున్నాయి. ఇక క్వాంటమ్‌ డాట్స్‌ ఆవిష్కరణ మడత ఎలక్ట్రానిక్స్‌, సూక్ష్మ సెన్సర్లు, పలుచటి సౌర కణాలు, రహస్య సంకేత క్వాంటమ్‌ సమాచార ప్రసారాలను కొత్త పుంతలు తొక్కించనుంది. మరి ఇంతటి మహా పరిజ్ఞానాల, పరిశోధనల కథేంటో చూద్దామా.

వైద్యరంగంలో కొత్త శకం

మెసెంజర్‌ ఆర్‌ఎన్‌ఏ (ఎంఆర్‌ఎన్‌ఏ) పరిజ్ఞానం వైద్యరంగంలో కొత్త శకానికి తెర తీసింది. దీంతో తయారైన ఎంఆర్‌ఎన్‌ఏ కొవిడ్‌ టీకాలు మూడేళ్లలోనే లక్షలాది మంది ప్రాణాలను కాపాడాయి. ఇది ఒక్క టీకాలకే పరిమితం కావటం లేదు. మొండి ఇన్‌ఫెక్షన్‌ జబ్బులు, క్యాన్సర్లు, జన్యు సమస్యల చికిత్సల దిశగానూ ప్రయాణిస్తోంది. దీనికి ఆకాశమే హద్దని నిపుణులూ కొనియాడుతున్నారు. దేన్ని సరిచేయాలన్నా, దేన్ని నయం చేయాలన్నా ఎంఆర్‌ఎన్‌ఏ ఔషధాల వైపు చూసే రోజులు త్వరలోనే రానున్నాయని ఘంటాపథంగా చెబుతున్నారు.

కొవిడ్‌-19 టీకాలతో ఎంఆర్‌ఎన్‌ఏ పేరు ఇప్పుడు అందరి నోళ్లలో నానుతోంది గానీ శాస్త్రవేత్తలకు ఇదేమీ కొత్త కాదు. దశాబ్దాలుగా దీనిపై అధ్యయనాలు చేస్తున్నారు. దీని శక్తులను వెలికి తీయటానికి, జబ్బుల చికిత్సకు తోడ్పడే పరిజ్ఞానాల తయారీకి ప్రయత్నిస్తూనే ఉన్నారు. టీకాల తయారీకిది మంచి వేదిక కాగలదని నిరూపించటంతో ఇది కొత్త మలుపు తిరిగింది. ఎంఆర్‌ఎన్‌ఏ ఆధారిత టీకాలు సురక్షితమని, సమర్థమైనవని తేలటమే కాదు.. వీటిని అతి వేగంగా రూపొందించటం, అమలు చేయటంతోనూ ఇవి అందరినీ ఆశ్చర్యపరిచాయి. ఒక కొత్త ఇన్‌ఫెక్షన్‌కు ఇంత త్వరగా టీకాలను అభివృద్ధి చేయటం ఇదే తొలిసారి మరి. ఎంఆర్‌ఎన్‌ఏ ఒక పోచతో కూడిన ఆర్‌ఎన్‌ఏ. జన్యు సమాచారాన్ని విడమరచుకునే ప్రక్రియలో డీఎన్‌ఏ నుంచి పుట్టుకొస్తుంది. కణ కేంద్రకంలోని డీఎన్‌ఏ నుంచి కణద్రవ్యానికి (సైటోప్లాజమ్‌) ప్రొటీన్‌ సమాచారాన్ని చేరవేయటం దీని పని. ఈ సమాచారం ఆధారంగానే ప్రొటీన్లు తయారవుతాయి. దీన్ని కృత్రిమంగా పనిచేయించటమే ఎంఆర్‌ఎన్‌ఏ టీకాల పరిజ్ఞానం ప్రత్యేకత. టీకాల రూపంలో ఒంట్లోకి వెళ్లిన ఎంఆర్‌ఎన్‌ కణాల్లో వైరల్‌ ప్రొటీన్‌ (యాంటీజెన్‌) నకళ్లను సృష్టించేలా సూచనలు జారీచేస్తుంది. ఈ యాంటీజెన్లను రోగనిరోధక వ్యవస్థ బయటి నుంచి వచ్చిన శత్రువులుగా భావించి యాంటీబాడీలు, టి కణాలను సృష్టిస్తుంది. మున్ముందు వ్యాధి కారకాలు దాడి చేస్తే వాటితో పోరాడేలా రోగనిరోధక వ్యవస్థకు శిక్షణ ఇస్తుంది. ఎప్పుడైనా నిజంగా వైరస్‌ దాడి చేస్తే శరీరం దాన్ని గుర్తించేలా చేస్తుంది. దీంతో రోగనిరోధక వ్యవస్థ అప్రమత్తమై జబ్బుతో పోరాడటానికి సన్నద్ధమవుతుంది. కొవిడ్‌-19 ఎంఆర్‌ఎన్‌ఏ టీకాలు చేసే పని ఇదే.

కొత్త ఇన్‌ఫెక్షన్ల కోసం

ఎంఆర్‌ఎన్‌ఏ పరిజ్ఞానంతో ఎలాంటి టీకాలనైనా రూపొందించొచ్చు. అదీ చాలా త్వరగా. ఇదే వైద్య పరిశోధన రంగాన్ని అమితంగా ఆకట్టుకుంటోంది. కొత్త రకం వైరస్‌లకు టీకాలను రూపొందించటానికే కాదు.. తరచూ మారిపోయే సార్స్‌-కోవీ-2, ఇన్‌ఫ్లూయెంజా వంటి వైరస్‌లను ఎదుర్కొనే టీకాలను అతి త్వరగా పునరుద్ధరించటానికీ ఇది అవకాశం కల్పిస్తుంది. మోడెర్నా కంపెనీ ఇప్పటికే మంకీపాక్స్‌, జికా, నిఫా వైరస్‌ల మీదా ఎంఆర్‌ఎన్‌ఏ ఆధారిత టీకా ప్రయోగాలు చేపట్టింది. రెస్పిరేటరీ సిన్సీటియల్‌ వైరస్‌ (ఆర్‌ఎస్‌వీ) టీకానూ తయారుచేసింది. దీన్ని అమెరికా ఎఫ్‌డీఏ సమీక్షిస్తోంది. ఇంకా సవాల్‌గా నిలుస్తున్న జబ్బులకూ ఎంఆర్‌ఎన్‌ఏ పరిజ్ఞానం పరిష్కారం చూపనుంది. ఉదాహరణకు- కొరుకుడు పడని సైటోమెగాలోవైరస్‌నే చూడండి. ఇది ఐదు ప్రొటీన్ల సాయంతో మనిషి కణాల్లోకి ప్రవేశిస్తుంది, బయటకు వస్తుంది. అందువల్ల ప్రొటీన్‌ ఆధారిత టీకాలకు వ్యాధి కారకాన్ని గుర్తించటం కష్టమైన పని. ఎంఆర్‌ఎన్‌ఏ పరిజ్ఞానానికిది తేలిక. కణాలు ఐదు ప్రొటీన్లనూ ఉత్పత్తి చేసేలా జన్యు సూచనలను ఇవ్వగలదు. సహజంగా ఇన్‌ఫెక్షన్‌ తలెత్తినప్పటి మాదిరిగా కణమే అన్ని ప్రొటీన్ల భాగాలను కలిపి ఒకే యాంటీజెన్‌గానూ రూపొందించుకునేలా చేయగలదు. సైటోమెగాలోవైరస్‌ ఎంఆర్‌ఎన్‌ఏ టీకా మీద మూడో దశ ప్రయోగాలు నడుస్తున్నాయి. ఇది కొన్ని కణజాలాల్లో బలమైన రోగనిరోధక ప్రతిస్పందనను ప్రేరేపిస్తుండటం విశేషం.

క్యాన్సర్లకూ టీకాలు

ఎంఆర్‌ఎన్‌ఏ టీకాలు మున్ముందు క్యాన్సర్లకూ విస్తరించొచ్చు. కణితులతో పోరాడేలా రోగనిరోధక వ్యవస్థకు శిక్షణ ఇచ్చే టీకాలను రూపొందించాలని చాలాకాలంగా ప్రయత్నిస్తున్నారు. ఇవేవీ సఫలం కావటం లేదు. నిజానికి క్యాన్సర్‌ను అడ్డుకోవటం చాలా కష్టం. ఎందుకంటే క్యాన్సర్‌ కణాలు అతి వేగంగా పెరుగుతాయి. మందుల ప్రభావాన్ని బలహీన పరుస్తాయి. ఇక్కడే ఎంఆర్‌ఎన్‌ఏ పరిజ్ఞానం ఆశా కిరణంగా కనిపిస్తోంది. దీని సాయంతో కణితుల మీదుండే బోలెడన్ని యాంటీజెన్ల మీద ఒకేసారి దాడి చేసేలా టీకాలను రూపొందించొచ్చు. కొన్ని ఎంఆర్‌ఎన్‌ఏ క్యాన్సర్‌ టీకాలపై ఇప్పటికే ప్రయోగ పరీక్షలు ఆరంభమయ్యాయి. ఈ పరిజ్ఞానంతో చికిత్సల  రూపకల్పనకూ ప్రయత్నాలు జరుగుతున్నాయి. సైటోకైన్ల వంటి రోగనిరోధక వ్యవస్థను ప్రేరేపించే కణాలు పుట్టుకొచ్చేలా చేయటం వీటి ఉద్దేశం. ఎంఆర్‌ఎన్‌ఏ సూచనలతో ఇవి కణాలకు కొత్త శక్తిని సమకూరుస్తాయి. దీంతో ప్రస్తుతం అందుబాటులో ఉన్న క్యాన్సర్‌ ఇమ్యునోథెరపీల సామర్థ్యాన్ని మరింత ఉత్తేజితం చేయొచ్చు కూడా.

జన్యు సవరణకూ

ఎంఆర్‌ఎన్‌ఏ అణువులతో చిక్కేటంటే- అవి త్వరగా క్షీణించటం. ఈ లోపాన్నీ అనువుగా మార్చుకోవటానికి శాస్త్రవేత్తలు ప్రయత్నిస్తున్నారు. క్రిస్ప్‌ఆర్‌-కాస్‌9 వంటి సాధనాలతో జన్యు సవరణ చేస్తున్నప్పుడు డీఎన్‌ఏను కత్తిరించే ఎంజైమ్‌లను కణాల్లో ఎక్కువసేపు ఉండకుండా చూడటం కీలకం. లేకపోతే లేనిపోని సవరణలకు ఆస్కారముంటుంది. ఇక్కడే ఎంఆర్‌ఎన్‌ఏ పరిజ్ఞానం ఆశలు కల్పిస్తోంది. దీని సూచనలతో పుట్టుకొచ్చిన ఎంజైమ్‌లు పని పూర్తయ్యాక వెంటనే కనుమరుగవుతాయి. అరుదైన జన్యు సమస్యల చికిత్సకు ఇదెంతో మేలు చేస్తుంది. ఎంతవరకు జన్యు సవరణ అవసరమో అంతవరకే చేస్తుంది. ఇలా అవాంఛిత సవరణలను తప్పించొచ్చు. క్యాపస్టన్‌ థెరపెటిక్స్‌ వంటి సంస్థలు మరో అడుగు ముందుకేసి ఎంఆర్‌ఎన్‌ఏ సాయంతో ఇంకాస్త బలంగా జబ్బులతో పోరాడేలా రోగనిరోధక కణాలకు శక్తిని సంతరింపజేయాలనీ చూస్తున్నాయి. శరీరంలో ఆయా భాగాల్లో మాత్రమే పనిచేసేలా కూడా ఎంఆర్‌ఎన్‌ఏ పరిజ్ఞానం రూపుదిద్దుకుంటోంది.

ఇలా జన్యు సవరణ పద్ధతుల విస్తరణ దగ్గరి నుంచి క్యాన్సర్‌ టీకాలు, కొత్త చికిత్సల ఆవిష్కరణ వరకూ ఈ పరిజ్ఞానం తోడ్పడగలదని గట్టిగా నమ్ముతున్నారు.

ఎలక్ట్రాన్ల అధ్యయనంలో విప్లవం

పదార్థంలో ఎలక్ట్రాన్ల గతిని పరిశీలించటంలో యాటోసెకండు కాంతి ప్రచోదనాలు కొత్త విప్లవం సృష్టించాయి. అణువులు, రేణువుల లోపల జరిగే ప్రక్రియలను చూడటానికివి వీలు కల్పించాయి. ఈ కాంతి ప్రచోదనాలతో రక్తంలోని మార్పులనూ గుర్తించొచ్చు. వీటి సాయంతో ఊపిరితిత్తి క్యాన్సర్‌ వంటి జబ్బులను తొలిదశలోనే పట్టుకొని, అవి మరింత ముదరకుండా చూసుకోవచ్చు. సత్వర చికిత్స మొదలెట్టొచ్చు.

ఇంతకీ యాటోసెకండు అంటే ఏంటి? దీనికి ఇంత ప్రాధాన్యమేంటి? దశాంశ బిందువు తర్వాత 17 సున్నాల అనంతరం 1 రావటాన్ని శాస్త్రీయంగా యాటో అంటారు. దీని ప్రకారం యాటోసెకండు అంటే సెకండులో 0.000000000000000001 వంతు అన్నమాట. అణువుల్లో ఎలక్ట్రాన్లు చాలా వేగంగా కదులుతుంటాయి. వీటి వేగాన్ని లెక్కించటానికిది తోడ్పడుతుంది. ఇంతకుముందు అణు కేంద్రకంలో కదలికలను ఫెమ్టోసెకండు కాంతి ప్రచోదనాలతో అధ్యయనం చేసేవారు. ఒక ఫెమ్టోసెకండులో వెయ్యి యాటోసెకండ్లుంటాయి. కానీ ఎలక్ట్రాన్‌ స్థాయిలో కదలికలను చూడటం యాటోసెకండు కాంతి ప్రచోదనాల సృష్టితోనే సాధ్యమైంది. భౌతిక ప్రక్రియల్లో ఎలక్ట్రాన్ల కదలికలు, అవి తిరిగి అమరటం చాలా అంశాలను సూచిస్తాయి. రసాయన ప్రక్రియల్లోనూ దాదాపు అన్ని అంశాల్లో ఇవి కీలక పాత్ర పోషిస్తాయి. అందుకే పరిశోధకులు ఎలక్ట్రాన్ల కదలికలు, అవి తిరిగి అమరటాన్ని గుర్తించేందుకు చాలా కృషి చేశారు. ఇవి అతి వేగంగా కదలటం వల్ల వీటిపై స్పెక్ట్రోస్కోపీ సాయంతో అధ్యయనం చేస్తుంటారు. ఎందుకంటే ఎలక్ట్రాన్లను ప్రత్యక్షంగా పరిశీలించటానికి కాంతి ప్రచోదనాలు అవసరం. అదీ ఎలక్ట్రాన్లు తిరిగి కుదురుకునే సమయం కన్నా తక్కువ కాలం కాంతి ప్రచోదనాలు కావాలి. ఇక్కడే యాటోసెకండు కాంతి ప్రచోదనాలు ప్రాధాన్యం సంతరించుకుంటున్నాయి. పియెర్‌ అగోస్టిని, పెరెన్స్‌ క్రౌజ్‌ తొలిసారి 2000 సంవత్సరంలో యాటోసెకండు కాంతి ప్రచోదనాలను సృష్టించారు. అప్పటి నుంచీ ఈ శాస్త్ర రంగం వేగంగా విస్తరిస్తోంది. యాటోసెకండు స్పెక్ట్రోస్కోపీ సాయంతోనే పరిశోధకలు ఒక అణువులో ఎలక్ట్రాన్‌ ప్రవర్తనను కచ్చితంగా అర్థం చేసుకోగలిగారు. ఎలక్ట్రాన్‌ ఆవేశం ఎలా ప్రసరిస్తోంది? రసాయన బంధాల మధ్య అణువులు ఎలా విడిపోతున్నాయి? అనేవి అర్థం చేసుకోగలిగారు. ద్రవ జలంలో ఎలక్ట్రాన్లు ఎలా ప్రవర్తిస్తాయి? ఘన స్థితి సెమీకండక్టర్లలో ఎలక్ట్రాన్లు ఎలా బదిలీ అవుతున్నాయో? అనేవీ తెలుసుకోవటానికీ యాటోసెకండు పరిజ్ఞానం తోడ్పడగలదు. దీనికి శాస్త్రవేత్తలు మరింత సానపెడుతున్నారు. దీంతో పదార్థ మూల రేణువులను లోతుగా అర్థం చేసుకోవటానికి మార్గం సుగమం అవుతుందని ఆశిస్తున్నారు.

సూక్ష్మ ప్రపంచ సూత్రం 

క్వాంటమ్‌ డాట్స్‌. ఇవి రంగులను సృష్టించే నానోపార్టికల్స్‌. క్యూఎల్‌ఈడీ టీవీల్లో ఇప్పటికే వీటి ప్రకాశాన్ని చూస్తున్నాం. ఇమేజింగ్‌ స్కాన్‌ పరికరాలు, సౌర ఫలకాల్లోనూ వీటిని వాడుతున్నారు. కణితుల వద్దకు చేరుకునేలా క్యాన్సర్‌ మందులకూ ఇవి దారి చూపిస్తున్నాయి. కాబట్టే క్వాంటమ్‌ డాట్స్‌కు అంత ప్రాధాన్యం.

ప్రతి మూలకానికీ ప్రత్యేక గుణాలుంటాయి. ఇవి వాటి అణువుల్లోని సంఖ్య.. కేంద్రకం చుట్టూరా ఎలక్ట్రాన్ల విస్తరణ మీద ఆధారపడి ఉంటాయి. పరిమాణంతో నిమిత్తం లేకుండా మూలకంలోని ఏ భాగమైనా అవే గుణాలను ప్రదర్శిస్తుంది. ఉదాహరణకు- 100 గ్రాముల వెండి ముక్క అయినా, కిలో వెండి ముద్ద అయినా ఒకే గుణాలను కలిగుంటుంది. కానీ నానోస్థాయిలో పెద్ద అణువులతో పోలిస్తే అతి సూక్ష్మ రేణువులు కాస్త భిన్నంగా ప్రవర్తించటమే విచిత్రం. సిద్ధాంత పరంగా కొన్ని దశాబ్దాల కిందటే దీన్ని ఊహించినా సుమారు 40 ఏళ్ల క్రితమే తొలిసారిగా గుర్తించారు. అలెక్సీ ఎకిమోవ్‌ 1980లో మొదటిసారిగా కాపర్‌ క్లోరైడ్‌ నానోరేణువుల్లో ఈ విభిన్న ప్రవర్తనను కనుగొన్నారు. కొన్నేళ్ల తర్వాత లూయిస్‌ బ్రస్‌ కూడా విడిగా కాడ్మియం సల్ఫైడ్‌లో విభిన్న గుణాలు గల నానోరేణువులను సృష్టించటంలో విజయం సాధించారు. బ్రస్‌తో మొదట్లో పనిచేసిన మౌంగి బవెండీ ఈ నానో రేణువులను తేలికగా సృష్టించే పద్ధతులను రూపొందించారు. పదార్థంలో చిన్న నానోపార్టికల్స్‌ భిన్న ప్రవర్తనకు మూలం క్వాంటమ్‌ ప్రభావాలే. ఉప-అణు స్థాయిలో ఇలాంటి విచిత్ర ప్రవర్తనను క్వాంటమ్‌ సిద్ధాంతం విపులంగా వర్ణించింది. రేణువులను నానో స్థాయి సైజుకు కుదిస్తే అవి క్వాంటమ్‌ ప్రభావాలను ప్రదర్శిస్తాయి. దీనికి ప్రధాన కారణం- ఎలక్ట్రాన్లు కొద్ది ప్రాంతానికే పరిమితం కావటం. సాధారణంగా ఎలక్ట్రాన్లు అణు కేంద్రకం వెలుపల పెద్ద ప్రాంతంలో కదులుతుంటాయి. కానీ రేణువుల సైజును గణనీయంగా తగ్గించినప్పుడు అణువుల్లోని ఎలక్ట్రాన్లు బాగా నొక్కుకుపోయి విచిత్రమైన క్వాంటమ్‌ ప్రభావాలు మొదలవుతాయి. ఎకిమోవ్‌, బ్రస్‌ గుర్తించింది ఇదే. దీని ఆధారంగానే భిన్నంగా ప్రవర్తించే నానో సైజు రేణువులను ప్రయోగశాలలో సృష్టించగలిగారు. ఇవే క్వాంటమ్‌ డాట్స్‌. వీటి ప్రత్యేక గుణాల్లో ఒకటి రంగు మారటం. ఏ పదార్థం రంగైనా అది కాంతి తరంగధైర్ఘ్యాలను గ్రహించటం, ప్రతిఫలించటం మీదే ఆధారపడి ఉంటుంది. ఇది స్ఫటికాల సైజు తేడాలతోనూ ముడిపడి ఉంటుండటం గమనార్హం. అంటే సైజును బట్టి స్ఫటికాలు వేర్వేరు తరంగ ధైర్ఘ్యాలను శోషించుకుంటాయన్నమాట. దీంతో ఆయా రంగుల్లో ప్రకాశిస్తాయి. ఇలాంటి నానోపార్టికల్స్‌ను సృష్టించటానికి ప్రత్యేక పరిస్థితులు అవసరమయ్యేవి. వీటిని తేలికగా, అనుకున్న విధంగా తయారుచేయగల కొత్త విధానాలు పుట్టుకు రావటంతో వాడకమూ పెరుగుతూ వస్తోంది.