Selective trapping of bacteria in porous media by cell length
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि जीवाणु कोशिका की लंबाई और छिद्र संरचना (pore architecture) परिवहन दक्षता को निर्धारित करने के लिए परस्पर क्रिया करते हैं, जहाँ लंबी *E. coli* व्यवस्थित छिद्रपूर्ण नेटवर्क में अधिक प्रभावी ढंग से आगे बढ़ती हैं लेकिन अव्यवस्थित वातावरण में चुनिंदा रूप से फंस जाती हैं, जो आकारिकी (morphology) के आधार पर बैक्टीरिया को अलग करने की एक नवीन विधि का सुझाव देता है।
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बैक्टीरिया (जीवाणु) परम उत्तरजीवी हैं, जो सबसे तंग और जटिल स्थानों में भी फलते-फूलते हैं। वे मिट्टी की सूक्ष्म, घुमावदार सुरंगों के भीतर, समुद्री तलछट की स्पंजी परतों की गहराई में, और यहाँ तक कि जानवरों और मनुष्यों के जीवित ऊतकों के भीतर भी रहते हैं। इन वातावरणों में, आगे बढ़ने का रास्ता शायद ही कभी सीधा होता है। इसके बजाय, बैक्टीरिया को बाधाओं, दरारों और बंद गलियों के एक भूलभुलैया से गुजरना पड़ता है जो उन्हें लगातार उनके मार्ग से भटकाते रहते हैं। दशकों से, वैज्ञानिक जानते थे कि एक बैक्टीरिया का आकार मायने रखता है; एक लंबा, पतला सेल एक छोटे, गोल सेल की तुलना में अलग तरह से चलता है। वे यह भी जानते थे कि वातावरण का विन्यास (लेआउट) चीजों के चलने के तरीके को बदल देता है। लेकिन एक महत्वपूर्ण प्रश्न अनुत्तरित रह गया था: कोशिका का आकार और स्थान का आकार मिलकर कैसे काम करते हैं? क्या लंबा होना एक बैक्टीरिया को भूलभुलध्य में पार पाने में मदद करता है, या यह उसे फँसा देता है?
पेंसिल्वेनिया विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब कस्टम-निर्मित भूलभुलैया के माध्यम से बैक्टीरिया की गति को देखकर इसका उत्तर दिया है। उन्होंने पाया कि लंबा होने का लाभ पूरी तरह से इस बात पर निर्भर करता है कि आपके आस-पास की दुनिया कितनी व्यवस्थित है। बाधाओं के एक पूरी तरह से व्यवस्थित ग्रिड में, लंबे बैक्टीरिया श्रेष्ठ यात्री होते हैं, जो आसानी से सीधे निकल जाते हैं। लेकिन एक अराजक, अव्यवतीय वातावरण में जो वास्तविक मिट्टी या ऊतक जैसा दिखता है, वही लंबा आकार एक जाल बन जाता है, जो बैक्टीरिया को मिनटों तक एक ही जगह पर जकड़े रखता है, जबकि उनके छोटे साथी तेजी से निकल जाते हैं। यह खोज दर्शाती है कि स्थान की ज्यामिति एक फिल्टर के रूप में कार्य कर सकती है, जो बिना किसी मानवीय हस्तक्षेप के बैक्टीरिया को उनकी लंबाई के आधार पर छाँट सकती है।
इसकी जांच करने के लिए, शोधकर्ताओं को ऐसे बैक्टीरिया की आवश्यकता थी जिन्हें वे अपनी इच्छा से बदल सकें। उन्होंने ई. कोलाई (E. coli) के एक सामान्य स्ट्रेन का उपयोग किया और इसमें एक जेनेटिक स्विच जोड़ा जिससे वे कोशिकाओं की लंबाई को नियंत्रित कर सकते थे। बैक्टीरिया के भोजन में एक विशिष्ट चीनी मिलाकर, वे कोशिकाओं को विभाजित होने से रोक सकते थे, जिससे वे लंबे, फिलामेंटस रॉड्स (तंतुमय छड़ों) के रूप में बढ़ने लगते थे। चीनी के बिना, कोशिकाएं छोटी रहती थीं। उन्होंने इन बैक्टीरिया को अलग-अलग लंबाई तक विकसित किया, जो लगभग 4 माइक्रोमीटर लंबे छोटे रॉड्स से लेकर 16 माइक्रोमीटर तक लंबे फिलामेंट्स तक फैले हुए थे, और फिर उन्हें तैरते हुए देखा।
सबसे पहले, टीम ने एक खुले स्थान में बैक्टीरिया का अवलोकन किया, जो बिना किसी बाधा वाला एक उथला चैंबर था। यहाँ लंबे सेल छोटे सेल्स की तुलना में अलग व्यवहार करते थे। छोटे बैक्टीरिया बार-बार मुड़ते थे, घुमावदार पथों का अनुसरण करते थे जो उन्हें उनके शुरुआती बिंदु के पास ही रखते थे। हालाँकि, लंबे बैक्टीरिया बहुत सीधी रेखाओं में तैटे। क्योंकि वे लंबे थे, इसलिए उनके लिए तेजी से मुड़ना कठिन था, इसलिए वे आगे बढ़ते रहे, अधिक दूरी तय की और स्थान का अधिक कुशलता से अन्वेषण किया। इसने पुष्टि की कि एक खुले क्षेत्र में, अन्वेषण के लिए लंबा होना एक स्पष्ट लाभ है।
इसके बाद, शोधकर्ताओं ने एक माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस बनाया—एक छोटा प्लास्टिक चिप जिसमें केवल 10 माइक्रोमीटर गहरे चैनल थे—ताकि एक संरचित, व्यवस्थित वातावरण की नकल की जा सके। इसके अंदर, उन्होंने सैकड़ों स्तंभों को एक पूर्ण ग्रिड में व्यवस्थित किया, जैसे कि समान रूप से दूरी पर स्थित पेड़ों का एक जंगल। जब उन्होंने छोटे बैक्टीरिया को छोड़ा, तो कोशिकाएं संघर्ष करती दिखीं। वे एक स्तंभ से टकरातीं, उसके चारों ओर मुड़तीं और घुमावदार पथों के एक चक्र में फंस जातीं, जिससे समय और ऊर्जा बर्बाद होती। लंबे बैक्टीरिया, हालांकि, आश्चर्यजनक सहजता के साथ चले। उनकी लंबाई उन्हें तेजी से मुड़ने से रोकती थी, इसलिए उन्हें स्तंभों के बीच के अंतराल के साथ संरेखित होने के लिए मजबूर होना पड़ा। घूमने के बजाय, वे गलियारों से सीधे फिसलते हुए निकले, एक अंतराल से दूसरे अंतराल तक सीधे पहुंचे। इस व्यवस्थित दुनिया में, लंबे सेल नेविगेशन के चैंपियन थे, जो छोटे सेल्स की तुलना में बहुत तेजी से और बहुत दूर तक चले।
लेकिन कहानी पूरी तरह से बदल गई जब शोधकर्ताओं ने अव्यवस्था (डिऑर्डर) पेश की। उन्होंने एक दूसरा उपकरण बनाया जहाँ स्तंभ बेतरतीब ढंग से बिखरे हुए थे, जिससे टेढ़े-मेढ़े दरारों, बंद रास्तों और असमान जेबों वाला एक अराजक परिदृश्य बन गया। यह सेटअप मिट्टी या शरीर के अंदर की अव्यवस्थित वास्तविकता की नकल करने के लिए बनाया गया था। जब छोटे बैक्टीरिया इस अराजक भूलभुलैया में दाखिल हुए, तो वे समान रूप से फैल गए। वे आसानी से मुड़ सकते थे, बाधाओं के चारों ओर रास्ता निकाल सकते थे और तंग जगहों से बाहर निकलने का रास्ता ढूंढ सकते थे। वे किसी भी एक जगह पर ज्यादा देर तक नहीं फंसे।
हालाँकि, लंबे बैक्टीरिया का हाल बहुत बुरा रहा। जैसे ही वे यादृच्छिक (रैंडम) भूलभुलैया में तैरे, वे अक्सर डेड एंड (बंद रास्तों) या संकीर्ण, घुमावदार दरारों में फंस गए। क्योंकि वे उन तंग जगहों में मुड़ने के लिए बहुत लंबे थे, वे फंस गए। एक बार फंस जाने के बाद, वे खुद को मुक्त नहीं कर सके। शोधकर्ताओं ने इन ट्रैप्स में कोशिकाओं के रुकने के समय को मापा और एक बड़ा अंतर पाया। छोटे बैक्टीरिया औसतन केवल 3.6 सेकंड तक फंसे रहे, इससे पहले कि वे मुड़ने और बाहर निकलने में सक्षम हो गए। दूसरी ओर, लंबे बैक्टीरिया औसतन 51.7 सेकंड तक फंसे रहे। कुछ मामलों में, वे लगभग एक मिनट तक फंसे रहे, एक कोने में स्थिर हो गए, जबकि छोटे बैक्टीरिया उनके पास से स्वतंत्र रूप से तैरकर निकल गए।
शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि अव्यवस्थित भूलभुलैया की अराजक ज्यामिति एक चयनात्मक फिल्टर के रूप में कार्य करती है। लंबे सेल न केवल धीमे थे; उन्हें स्थान के आकार द्वारा सक्रिय रूप से पकड़ा गया था। अध्ययन ने दिखाया कि जिस गुण ने लंबे बैक्टीरिया को एक व्यवस्थित ग्रिड में उत्कृष्ट यात्री बनाया था, वही एक अव्यवस्थित दुनिया में एक घातक दोष बन गया। यह सुझाव देता है कि प्रकृति में, जहाँ वातावरण शायद ही कभी पूरी तरह से व्यवस्थित होता है, लंबा होना वास्तव में बैक्टीरिया की भोजन खोजने या नए क्षेत्रों में फैलने की क्षमता में बाधा डाल सकता है।
इस खोज के व्यावहारिक निहितार्थ केवल बैक्टीरिया की गति को समझने से परे हैं। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि इस सिद्धांत का उपयोग केवल उनकी लंबाई के आधार पर विभिन्न प्रकार के बैक्टीरिया को अलग करने के लिए किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, जब बैक्टीरिया एंटीबायोटिक्स के तनाव में होते हैं, तो वे अस्तित्व बचाने की प्रतिक्रिया के रूप में लंबे और फिलामेंटस (तंतुमय) हो जाते हैं, जबकि दवा-प्रतिरोधी बैक्टीरिया छोटे बने रहते हैं। एक अराजक संरचना वाले छिद्रपूर्ण पदार्थ को डिजाइन करके, वैज्ञानिक संभावित रूप से तनावग्रस्त, लंबे सेल्स को फंसा सकते हैं जबकि छोटे, प्रतिरोधी सेल्स को गुजरने दे सकते हैं। यह बिना किसी रसायन या लेबल के बैक्टीरिया को छानने का एक नया, निष्क्रिय तरीका प्रदान कर सकता है।
यह कार्य कोशिका के भौतिक आकार और उसके निवास स्थान की जटिल दुनिया के बीच के अंतर को पाटता है। यह दिखाता है कि बैक्टीरिया के लिए कोई एक "सर्वश्रेष्ठ" आकार नहीं है; वातावरण विजेता का निर्धारण करता है। एक सीधे, व्यवस्थित पथ में, लंबाई गति के लिए एक उपकरण है। एक अराजक, टूटी हुई दुनिया में, लंबाई एक बेड़ी (शृंखला) है। स्थान के लेआउट को बदलकर, गति के नियम बदल जाते हैं, जो यह प्रकट करता है कि जीवन भौतिक दुनिया में कैसे रास्ता बनाता है।
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