Quantifying the oxygen preferences of bacterial communities using a metagenome-based approach

कल्पना कीजिए कि आप यह पता लगाने की कोशिश कर रहे हैं कि एक कमरे में कितनी ऑक्सीजन है, लेकिन आप थर्मामीटर या सेंसर का उपयोग नहीं कर सकते। इसके बजाय, आप हवा की गुणवत्ता का अनुमान लगाने के लिए कमरे के अंदर मौजूद लोगों को देखते हैं। यदि आप ज्यादातर ऐसे लोगों को देखते हैं जिन्हें दौड़ने और भारी सांस लेने की आवश्यकता होती है (एरोब्स/aerobes), तो आप जानते हैं कि वहां पर्याप्त ऑक्सीजन है। यदि आप ज्यादातर ऐसे लोगों को देखते हैं जो शांति से आराम कर रहे हैं या सो रहे हैं (एनारोब्स/anaerobes), तो आप जानते हैं कि हवा पतली है।

यह शोध पत्र बिल्कुल यही करने के बारे में है, लेकिन लोगों के बजाय बैक्टीरिया के साथ, और सांस लेने को देखने के बजाय जेनेटिक सुरागों का उपयोग करके।

यहाँ उनकी खोज का सरल शब्दों में विवरण दिया गया है:

समस्या: ऑक्सीजन को पकड़ना कठिन है

ऑक्सीजन कई सूक्ष्म जीवित चीजों के लिए "ईंधन" की तरह है, लेकिन मिट्टी की गहराई या मानव आंत जैसे स्थानों में इसे सीधे मापना कठिन होता है। कभी-कभी सेंसर काम नहीं करते, या ऑक्सीजन का स्तर इतना तेजी से बदल जाता है कि उसे पकड़ पाना मुश्किल होता है। शोधकर्ता एक ऐसा तरीका चाहते थे जिससे वे बैक्टीरिया का उपयोग स्वयं "जीवित सेंसर" के रूप में कर सकें ताकि हमें पता चल सके कि वहां कितनी ऑक्सीजन थी।

समाधान: एक जेनेटिक "मेन्यू" (सूची)

टीम ने महसूस किया कि अलग-अलग बैक्टीरिया के पास अलग-अलग "मेन्यू" के जीन होते हैं। कुछ बैक्टीरिया के पास वे विशिष्ट उपकरण (जीन) होते हैं जो केवल तभी जीवित रहने के लिए आवश्यक हैं जब ऑक्सीजन मौजूद हो, जबकि अन्य के पास वे उपकरण होते हैं जो केवल तभी जीवित रहने के लिए आवश्यक हैं जब ऑक्सीजन अनुपस्थित हो।

1. सुराग खोजना: उन्होंने एक स्मार्ट कंप्यूटर प्रोग्राम (मशीन लर्निंग) का उपयोग किया जिससे उन्होंने हजारों बैक्टीरियल जीनोम को स्कैन किया। यह एक जासूस की तरह था जो संदिग्धों की सूची को तब तक कम करता रहा जब तक कि उसे वे 20 सबसे महत्वपूर्ण जीन नहीं मिल गए जो सबसे अच्छे संकेतक के रूप में कार्य करते हैं कि एक बैक्टीरिया ऑक्सीजन को पसंद करता है या नापसंद करता है।
2. उपकरण बनाना (OxyMetaG): उन्होंने OxyMetaG नामक एक सॉफ्टवेयर टूल बनाया। इस टूल को एक सुपर-फास्ट लाइब्रेरियन (पुस्तकालयाध्यक्ष) के रूप में समझें।
   • आप इसे मिट्टी के नमूने या आंत के नमूने से प्राप्त जेनेटिक "पेज" (DNA रीड्स) का एक ढेर देते हैं।
   • लाइब्रेरियन उन किताबों को अनदेखा कर देता है जिनकी उसे आवश्यकता नहीं है और केवल उन विशिष्ट 20 सुराग वाले जींस को खोजता है।
   • वह गिनता है कि उसने कितने "ऑक्सीजन-प्रेमी" सुराग पाए बनाम कितने "ऑक्सीजन-विरोधी" सुराग।
   • उस अनुपात के आधार पर, यह आपको बताता है: "यह नमूना लगभग 60% ऑक्सीजन-प्रेमियों और 40% ऑक्सीजन-विरोधियों का है।"

यह टूल क्यों खास है

आमतौर पर, बैक्टीरिया के समुदाय को समझने के लिए, वैज्ञानिक पूरी "लाइब्रेरी" को फिर से बनाने की कोशिश करते हैं (पूरा जीनोम असेंबल करना), जो एक फटे हुए विश्वकोश के एक अकेले पन्ने से पूरी विश्वकोश को फिर से बनाने जैसा है। इसमें बहुत समय लगता है और यदि नमूना गंदा या छोटा हो, तो यह अक्सर विफल हो जाता है।

OxyMetaG इस कठिन काम को छोड़ देता है। इसे पूरी लाइब्रेरी को फिर से बनाने की आवश्यकता नहीं है; यह केवल उन विशिष्ट कीवर्ड्स को खोजने के लिए पेजों को स्कैन करता है जिनकी इसे आवश्यकता है। इसका मतलब है कि यह छोटे, बिखरे हुए नमूनों पर भी काम करता है और इसके लिए सुपरकंप्यूटर की आवश्यकता नहीं होती है।

उन्होंने क्या खोजा

उन्होंने अपने टूल का परीक्षण दो बहुत ही अलग दुनियाओं पर किया:

• मिट्टी की दुनिया: उन्होंने 540 अलग-अलग मिट्टी के नमूनों को देखा। उन्होंने पाया कि सूखी, रेतीली मिट्टी में आमतौर पर ऑक्सीजन-प्रेमी बैक्टीरिया होते हैं। हालांकि, गीली, कीचड़ वाली या महीन बनावट वाली मिट्टी में (जहाँ पानी हवा को रोकता है), टूल ने सफलतापूर्वक ऑक्सीजन-विरोधी बैक्टीरिया की ओर बदलाव का पता लगाया।
• मानव आंत की दुनिया: उन्होंने मानव आंतों के 73 नमूनों को देखा, और ट्रैक किया कि बच्चा बढ़ते समय पर्यावरण कैसे बदलता है। उन्होंने एक स्पष्ट कहानी पाई:
  • नवजात शिशु: उनकी आंतें एक धूप वाले घास के मैदान की तरह होती हैं, जो ऑक्सीजन-प्रेमी बैक्टीरिया (61% तक) से भरी होती हैं।
  • 3 साल की उम्र तक: आंत पूरी तरह से ऑक्सीजन-विरोधी बैक्टीरिया के प्रभुत्व वाली एक अंधेरी गुफा में बदल जाती है।

बड़ी तस्वीर

शोधकर्ताओं ने बैक्टीरिया को बायो-इंडिकेटर्स (जैविक संकेतकों) में बदलने का एक तरीका बनाया है। जिस तरह आप पानी की गुणवत्ता का अनुमान लगाने के लिए तालाब में मछलियों के प्रकार को देख सकते हैं, अब आप ऑक्सीजन के स्तर का अनुमान लगाने के लिए बैक्टीरिया के जेनेटिक "पदचिह्नों" को देख सकते हैं। यह टूल, OxyMetaG, अब आधुनिक वातावरण या यहाँ तक कि प्राचीन वातावरण में छिपे हुए ऑक्सीजन स्तरों को समझने के लिए किसी के भी उपयोग के लिए उपलब्ध है, बिना ऑक्सीजन को सीधे मापे।