একটি জীবিত কোষ মূলত একটি অণুবীক্ষণিক রাসায়নিক শোধনাগার—যেখানে হাজার হাজার এনজাইম যুগপৎভাবে বিক্রিয়া ঘটিয়ে গ্লুকোজ বা বর্জ্য কার্বনকে প্রোটিন, ডিএনএ এবং প্রয়োজনীয় রাসায়নিকে রূপান্তর করে। মেটাবলিক ইঞ্জিনিয়ারিংয়ের উদ্দেশ্য হলো কোষের এই বিপাকীয় পথকে কৃত্রিমভাবে পুনর্বিন্যাস করে ওষুধ, বায়োফুয়েল বা শিল্প উপাদানের উৎপাদন বহুগুণ বৃদ্ধি করা। হাজার হাজার এনজাইমের জটিল কাইনেটিক ধ্রুবক জানা অসম্ভব হওয়ায় বিজ্ঞানীরা ব্যবহার করেন গাণিতিক সীমাবদ্ধতা-ভিত্তিক ফ্লাক্স ব্যালেন্স অ্যানালাইসিস (Flux Balance Analysis – FBA)। এই পর্বে আমরা স্টোয়কিওমেট্রিক ম্যাট্রিক্স এবং লিনিয়ার প্রোগ্রামিং প্রতিপাদন করব।

১. জিনোম-স্কেল মেটাবলিক মডেল ও স্টোয়কিওমেট্রিক ম্যাট্রিক্স ((mathbf{S}))

(m) সংখ্যক মেটাবোলাইটের ঘনত্ব ভেক্টর (mathbf{C}) এবং (n) সংখ্যক বিক্রিয়ার বেগ বা ফ্লাক্স ভেক্টর (mathbf{v})-এর ভর সংরক্ষণ সমীকরণ:

[
rac{dmathbf{C}}{dt} = mathbf{S} cdot mathbf{v}
]

যেখানে (mathbf{S} in mathbb{R}^{m imes n}) হলো স্টোয়কিওমেট্রিক ম্যাট্রিক্স। কোষের অভ্যন্তরে বিক্রিয়াসমূহ মিলিসেকেন্ডের মধ্যে ঘটে থাকে, যা কোষ বিভাজনের গতির চেয়ে অনেক দ্রুত। ফলে মেটাবোলাইটগুলো একটি গতিশীল কোয়াসি-স্টেডি-স্টেট (Quasi-Steady State) সাম্যাবস্থায় থাকে:

[
mathbf{S} cdot mathbf{v} = 0
]

অর্থাৎ কোষের সকল অভ্যন্তরীণ রাসায়নিক ফ্লাক্স স্টোয়কিওমেট্রিক ম্যাট্রিক্সের নাল স্পেসের (Null Space) ভেতরে অবস্থান করতে বাধ্য।

২. লিনিয়ার প্রোগ্রামিং (Linear Programming) ও FBA সমীকরণ

যেহেতু বিক্রিয়ার সংখ্যা উপাদানের চেয়ে অনেক বেশি ((n > m)), তাই নাল স্পেসে অসংখ্য সমাধান বিদ্যমান। প্রকৃত কোষ কোন সমাধানটি বেছে নেবে তা নির্ধারণ করতে থার্মোডাইনামিক সীমা এবং এনজাইমের সর্বোচ্চ গতি আরোপ করা হয়:

[
v_j^{min} le v_j le v_j^{max}
]

এবং লিনিয়ার প্রোগ্রামিং (LP) ব্যবহার করে কোষের বৃদ্ধি বা বায়োমাস উৎপাদন সর্বোচ্চ করা হয়:

[
max_{mathbf{v}} Z = mathbf{c}^T mathbf{v} quad ext{subject to: } mathbf{S} cdot mathbf{v} = 0, quad mathbf{v}^{min} le mathbf{v} le mathbf{v}^{max}
]

এখানে বায়োমাস ভেক্টরে প্রোটিন, লিপিড এবং এটিপির সুনির্দিষ্ট অনুপাত অন্তর্ভুক্ত থাকে।

৩. অপ্ট-নক (OptKnock) ও গ্রোথ-কাপল্ড উৎপাদন

কোলেস্টেরল বা বায়োপ্লাস্টিক তৈরির কৃত্রিম জিন কোষে ঢোকালে কোষ নিজের শক্তির অপচয় রোধ করতে সেই পথ বন্ধ করে দেওয়ার চেষ্টা করে। মারানাসের OptKnock অ্যালগরিদম কোষের ঠিক কোন কোন নিজস্ব জিন মুছে ফেললে (gene knockout) বেঁচে থাকার জন্যই কাঙ্ক্ষিত উপাদান তৈরি করতে বাধ্য হবে—তা লিনিয়ার প্রোগ্রামিংয়ের মাধ্যমে বের করে। ফলে বিবর্তনের স্বাভাবিক নিয়মেই কাঙ্ক্ষিত রাসায়নিকের ফলন বাড়ে।

শাকিল মাহমুদ সজল

শাকিল মাহমুদ সজল

সফটওয়্যার প্রকৌশলী ও লেখক, ঢাকা, বাংলাদেশ। কম্পিউটার বিজ্ঞান, পদার্থবিজ্ঞান, ইতিহাস ও ভাবনার সমন্বয়ে ব্যক্তিগত নোট ও প্রবন্ধ সংকলন।