Targeted ortholog search in unannotated genome assemblies with fDOG-Assembly

पृथ्वी पर जीवन एक ऐसे कोड में लिखा गया है जो हर जीवित चीज़ की कोशिकाओं के भीतर पाया जाता है, निर्देशों का एक ऐसा समूह जो किसी जीव को यह बताता है कि वह खुद को कैसे बनाए और कैसे कार्य करे। वैज्ञानिक इस कोड के कच्चे अक्षरों, यानी डीएनए (DNA) को पढ़ने में बहुत कुशल हो गए हैं, जो सबसे छोटे कीटों से लेकर सबसे बड़े स्तनधारियों तक, अनगिनत प्रजातियों से प्राप्त किया जा सकता है। वे ऊतक (tissue) का नमूना ले सकते हैं, डीएनए को अनुक्रमित (sequence) कर सकते हैं, और उन छोटे टुकड़ों को एक पूर्ण जीनोम में जोड़ सकते हैं, जो अनिवार्य रूप रूप से उस प्रजाति के लिए आनुवंशिक निर्देशों का एक पूर्ण पुस्तकालय है। हालाँकि, पुस्तकालय का होना केवल आधी लड़ाई जीतने जैसा है। किसी प्रजाति को वास्तव में समझने और वह कैसे विकसित हुई, इसे समझने के लिए वैज्ञानिकों को यह जानने की आवश्यकता है कि उस पुस्तकालय के कौन से हिस्से वास्तव में काम करने वाले अध्याय हैं—वे जीन जो प्रोटीन बनाते हैं और जीवन प्रक्रियाओं को संचालित करते हैं। सार्वजनिक डेटाबेस में मौजूद हजारों नए जीनोमों में से कई के लिए, इन अध्यायों को अभी तक लेबल या पहचाना नहीं गया है। इन लेबल के बिना, डेटा एक बंद किताब बना रहता है, जिसे यह समझने के लिए उपयोग करना कठिन होता है कि विभिन्न प्रजातियाँ एक-दूसरे से कैसे संबंधित हैं या वे कैसे कार्य करती हैं, जिससे जैविक क्षमता की एक विशाल मात्रा अप्रयुक्त रह जाती है।

शोधकर्ताओं के एक दल ने इन बिना लेबल वाले आनुवंशिक पुस्तकालयों को बिना हर एक पन्ने को पहले पढ़े अनलॉक करने के लिए एक नई विधि विकसित की है। उन्होंने fDOG-Assembly नामक एक उपकरण बनाया है, जिसे कच्चे, बिना एनोटेटेड (unannotated) डीएनए अनुक्रमों के भीतर सीधे विशिष्ट, परिचित आनुवंशिक पैटर्न खोजने के लिए डिज़ाइन किया गया है। पारंपरिक रूप से, इन पैटर्न को खोजने के लिए पहले जीनोम में प्रत्येक जीन की पहचान करने की एक श्रमसाध्य प्रक्रिया की आवश्यकता होती थी, जो एक धीमी प्रक्रिया है और अक्सर जटिल जीवों के लिए विफल हो जाती है। यह नया दृष्टिकोण उस मध्यवर्ती चरण को पूरी तरह से छोड़ देता है। पूरे पुस्तकालय का मानचित्र बनाने के बजाय, यह उन विशिष्ट, ज्ञात अनुक्रमों की तलाश करता है जो अद्वितीय उंगलियों के निशान (fingerprints) की तरह कार्य करते हैं। शोधकर्ताओं ने अपने उपकरण का मौजूदा विधियों के विरुद्ध परीक्षण किया और पाया कि यह इन मानक आनुवंशिक मार्करों को खोजने में उतना ही प्रभावी है, लेकिन एक महत्वपूर्ण लाभ के साथ: यह जीवन के सभी सामान्य रूपों में पाए जाने वाले जीनों की एक छोटी, निश्चित सूची तक सीमित नहीं है। यह किसी भी विशिष्ट जीन की खोज कर सकता है जिसमें वैज्ञानिक रुचि रखता है, यहाँ तक कि उन जीनोमों में भी जिन्हें कभी पूरी तरह से मैप नहीं किया गया है।

यह सिद्ध करने के लिए कि यह उपकरण काम करता है, शोधकर्ताओं ने चूहों और एक सी एनीमोन (sea anemone) संबंधी जीव (एक प्रकार का जेलीफिश जैसा प्राणी) के जीनोम में पाँच हजार मानव जीनों को खोजने के लिए इसका उपयोग किया। परिणाम आश्चर्यजनक थे। नई विधि ने उन जीनों को खोजने में सफलता दर हासिल की जो सर्वोत्तम पारंपरिक उपकरणों के बराबर थी, जो पूरी तरह से लेबल की गई प्रोटीन सूचियों पर निर्भर करते हैं। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि इसने उन जीनों को भी खोज निकाला जिन्हें पुराने तरीकों ने इसलिए छोड़ दिया था क्योंकि मूल जीन मानचित्र अधूरे थे। इन लापता हिस्सों को भरकर, यह उपकरण वैज्ञानिकों को यह समझने में मदद करता है कि जीवन के वृक्ष (tree of life) के माध्यम से जीन कैसे साझा किए जाते हैं। शोधकर्ताओं ने इस क्षमता को मिट्टी में रहने वाले जीवों से जुड़े एक वास्तविक दुनिया के रहस्य पर लागू किया। उन्होंने मिट्टी में पाए जाने वाले 176 विभिन्न अकशेरुकी जीवों (invertebrates) के आनुवंशिक पुस्तकालयों को स्कैन किया, विशेष रूप रूप से उन जीनों की तलाश की जो बीटा-लैक्टम एंटीबायोटिक्स (beta-lactam antibiotics) बनाने के लिए जिम्मेदार हैं, जो बैक्टीरिया के संक्रमण से लड़ने के लिए उपयोग की जाने वाली एक शक्तिशाली श्रेणी की दवाएं हैं।

इस खोज ने एक आश्चर्यजनक तथ्य को उजागर किया। इन एंटीबायोटिक्स को बनाने के लिए आवश्यक जीन दुर्लभ या अलग-थलग नहीं हैं; वे स्प्रिंगटेल्स (springtails), जो मिट्टी के एक सामान्य प्रकार के सूक्ष्म आर्थ्रोपोड हैं, के बीच व्यापक रूप से मौजूद हैं। कुछ व्यक्तिगत प्रजातियों में, शोधकर्ताओं ने सेफैमाइसिन (cephamycin), जो बीटा-लैक्टम एंटीबायोटिक का एक विशिष्ट प्रकार है, को उत्पन्न करने के लिए आवश्यक निर्देशों के लगभग पूरे सेट को पाया। यह सुझाव देता है कि ये छोटे, अक्सर अनदेखे जीव इन जीवन रक्षक यौगिकों के प्राकृतिक कारखाने हो सकते हैं, एक ऐसा तथ्य जो पहले छिपा हुआ था क्योंकि उनके जीनोम में उचित एनोटेशन का अभाव था। अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि ये जीव वर्तमान में बड़ी मात्रा में इन दवाओं का उत्पादन कर रहे हैं, लेकिन पूर्ण आनुवंशिक मशीनरी की उपस्थिति दृढ़ता से संकेत देती है कि उनमें ऐसा करने की क्षमता है। कच्चे आनुवंशिक डेटा के माध्यम से सीधे खोजने की अनुमति देकर, यह नया उपकरण वैज्ञानिकों के लिए जीनोम डेटा के विशाल, अनछुए संग्रहों में छिपे हुए जैविक खजानों को खोजने का द्वार खोलता है जो वर्षों से शेल्फों पर रखे हुए हैं, जिससे अनपढ़े ग्रंथों को खोज के सक्रिय संसाधनों में बदला जा सके।