Nutrient environments shape amino acid auxotrophy and cross-feeding

एक हलचल भरे शहर की कल्पना करें जहाँ हर निवासी के पास एक विशिष्ट कार्य है: कुछ ब्रेड पकाते हैं, कुछ कारें ठीक करते हैं, और कुछ सब्जियां उगाते हैं। इस शहर में, कोई भी सब कुछ अकेले करने की कोशिश नहीं करता क्योंकि यह बहुत कठिन और महंगा है। इसके बजाय, वे व्यापार करते हैं। बेकर ब्रेड के बदले कार मरम्मत प्राप्त करता है, और सब्जी उगाने वाला व्यक्ति ब्रेड के बदले गाजर प्राप्त करता है। इस तरह कई सूक्ष्म जीव, जिन्हें माइक्रोब्स (microbes) कहा जाता है, वास्तविक दुनिया में जीवित रहते हैं। उनमें अक्सर अपने लिए कुछ आवश्यक सामग्रियां, जैसे विशिष्ट विटामिन या अपने शरीर के निर्माण खंड बनाने की क्षमता की कमी होती है। इस अक्षमता को ऑक्सोट्रॉफी (auxotrophy) (इसे "ऑ-ट्रो-फाई" की तरह बोलें) कहा जाता है। इसे एक ऐसे शेफ के रूप में सोचें जिसने टमाटर उगाना भूल दिया है और अब उसे सूप बनाने के लिए टमाटर अपने पड़ोसी से ही लेने होंगे।

आमतौर पर, वैज्ञानिक इस "भूलने" को एक स्थायी लक्षण मानते थे, जैसे कि नीली आँखें होना या बाएं हाथ का उपयोग करना। उन्होंने माना कि यदि कोई सूक्ष्म जीव एक विशिष्ट अमीनो एसिड (एक प्रोटीन निर्माण खंड) नहीं बना सकता है, तो वह उसे बना ही नहीं सकता, बस बात खत्म। लेकिन क्या होगा अगर यह "अक्षमता" स्थिर नहीं है? क्या होगा अगर यह इस पर निर्भर करता है कि रसोई में क्या रखा है? यदि वातावरण कुछ खास खाद्य पदार्थों से भरा है, तो शायद सूक्ष्म जीव चतुराई से वह गायब सामग्री बना ले, या शायद उसे व्यापार करने की आवश्यकता ही न पड़े। यह विचार हमें यह समझने में मदद करता है कि ये सूक्ष्म समुदाय कैसे बनते हैं, जीवित रहते हैं और विकसित होते हैं। यदि मौसम, मिट्टी या उपलब्ध भोजन के आधार पर सूक्ष्मजीवों की ज़रूरतें बदलती हैं, तो इस पूरे शहर का व्यापार नेटवर्क हमारी सोच से कहीं अधिक लचीला और अप्रत्याशित है।

यही वह चीज़ है जिसकी जांच करने के लिए शोधकर्ताओं की एक टीम ने अध्ययन किया। वे यह देखना चाहते थे कि सूक्ष्म जगत में "व्यापार के नियम" पत्थर की लकीर हैं या वे मेनू के आधार पर बदलते हैं।

द ग्रेट माइक्रोबियल स्वैप मीट (The Great Microbial Swap Meet)

यह पता लगाने के लिए, वैज्ञानिकों ने प्रयोगशाला में दो प्रसिद्ध प्रकार के बैक्टीरिया का उपयोग करके एक विशाल प्रयोग स्थापित किया: एस्चेरिचिया कोली (Escherichia coli - जो अक्सर आपके पेट में पाया जाता है) और बैसिलस सबटिलिस (Bacillus subtilis - जो मिट्टी में पाया जाने वाला एक सामान्य जीव है)। उन्होंने प्रत्येक प्रजाति के लिए छह अलग-अलग उत्परिवर्तित (mutant) स्ट्रेन का एक "मैच्ड सेट" बनाया। प्रत्येक उत्परिवर्तित स्ट्रेन एक अलग अमीनो एसिड बनाने की रेसिपी खो चुका था: मेथियोनीन (Methionine), फेनिलएलनिन (Phenylalanine), आर्जिनिन (Arginine), सिस्टीन (Cysteine), सेरीन (Serine), या ल्यूसीन (Leucine)।

इन उत्परिवर्तित जीवों को छह अलग-अलग शेफ के रूप में सोचें, जिनमें से प्रत्येक ने एक अलग सामग्री बनाना भूल गया है। वैज्ञानिकों ने इन शेफों को 40 अलग-अलग "रसोईघरों" में रखा। ये रसोईघर विभिन्न कार्बन स्रोतों (जैसे ग्लूकोज या ग्लिसरॉल) और नाइट्रोजन स्रोतों (जैसे अमीनो एसिड या यूरिया) को मिलाकर बहुत विविध थे। यह ऐसा था जैसे इन शेफों का परीक्षण एक फ्रांसीसी बिस्ट्रो, एक जापानी सुशी बार, एक वीगन कैफे और एक डाइनर में एक साथ किया जा रहा हो।

उन्होंने हर रसोईघर में दो प्रकार के परीक्षण चलाए:

1. सोलो टेस्ट (The Solo Test): क्या शेफ अकेले खाना बना सकता है? (यदि वे अपनी गायब सामग्री नहीं बना सके, तो वे भूखे मर गए)।
2. टीम टेस्ट (The Team Test): उन्होंने दो अलग-अलग शेफों की जोड़ी बनाई। यदि शेफ A मेथियोनीन नहीं बना सकता लेकिन शेफ B बना सकता है, और शेफ B साझा करने को तैयार है, तो क्या वे दोनों जीवित रह सकते हैं और एक साथ बढ़ सकते हैं?

बड़ा आश्चर्य: मेनू शेफ को बदल देता है

पहली बड़ी खोज यह थी कि भोजन बनाने की "स्थायी" अक्षमता वास्तव में स्थायी नहीं थी। कुछ रसोईघरों में, एक शेफ जो कि असहाय होने वाला था, वास्तव में अपनी मर्जी से अकेले बढ़ने में सफल रहा, भले ही उसके पास वह गायब सामग्री नहीं थी! उदाहरण के लिए, वह उत्परिवर्तित जीव जो फेनिलएलनिन नहीं बना सकता था, वह लगभग 60% अलग-अलग रसोईघरों में बढ़ने में सफल रहा। यहाँ तक कि सबसे "कमजोर" उत्परिवर्तित जीव भी, जो सेरीन नहीं बना सकता था, वह भी 20% से अधिक वातावरण में बढ़ने में सफल रहा।

यह सुझाव देता है कि ऑक्सोट्रॉफी एक निश्चित गुण नहीं है। यह एक 'मूड रिंग' की तरह है। वातावरण में कौन से पोषक तत्व तैर रहे हैं, इस पर निर्भर करते हुए, एक सूक्ष्मजीव अचानक वह चीज़ बनाने का तरीका ढूंढ सकता है जिसे वह बनाने में असमर्थ था, या वह यह पा सकता है कि उसे इसे बनाने की आवश्यकता ही नहीं है क्योंकि वातावरण इसे किसी अन्य रूप में प्रदान कर रहा है। व्यापार करने वाले साथी की "ज़रूरत" परिवेश के आधार पर बदल जाती है।

ट्रेडिंग नेटवर्क: सबसे अच्छा पड़ोसी कौन है?

इसके बाद, शोधकर्ताओं ने टीम परीक्षणों को देखा ताकि यह पता चल सके कि सबसे अच्छे ट्रेडिंग पार्टनर कौन हैं। उन्होंने पाया कि व्यापार की सफलता तीन मुख्य चीजों पर निर्भर करती थी: प्रजाति, वातावरण और वह विशिष्ट सामग्री जो गायब थी।

• प्रजाति मायने रखती है: बैसिलस सबटिलिस एक बेहतरीन टीम प्लेयर साबित हुआ। भले ही वे तब धीरे बढ़ते थे जब उनके पास पर्याप्त भोजन होता था, लेकिन वे जोड़ियों में बढ़ने और साझा करने में ई. कोली की तुलना में बहुत बेहतर थे। यह ऐसा है जैसे बी. सबटिलिस वह पड़ोसी है जो हमेशा अपने बगीचे की उपज साझा करने के लिए खुश रहता है, जबकि ई. कोली थोड़ा कंजूस या आदान-प्रदान में कम कुशल है।
• वातावरण मायने रखता है: कुछ रसोईघर व्यापार के लिए दूसरों की तुलना में बेहतर थे। बी. सबटिलिस के लिए, प्रोलाइन और ग्लूकोज का मिश्रण विकास के लिए एक "स्वर्ण खदान" था, जबकि यूरिया और ग्लिसरॉल एक "डेड ज़ोन" था जहाँ व्यापार मुश्किल से काम करता था।
• गायब सामग्री सबसे अधिक मायने रखती है: यह सबसे आश्चर्यजनक हिस्सा है। हालांकि वातावरण ने चीजें बदलीं, लेकिन गायब सामग्री का प्रकार सबसे बड़ा भविष्यवक्ता था कि क्या व्यापार काम करेगा या नहीं। कुछ गायब सामग्रियां (जैसे मेथियोनीन या फेनिलएलनिन) "मजबूत" ट्रेडिंग जोड़े बनाती थीं जो लगभग हमेशा सफल होते थे। अन्य (जैसे सिस्टीन या सेरीन) "कमजोर" जोड़े बनाती थीं जो संघर्ष करते थे।

क्रिस्टल बॉल: भविष्य की भविष्यवाणी क्या करती है?

यह समझने के लिए कि ये अंतःक्रियाएं (interactions) कैसे संचालित होती हैं, वैज्ञानिकों ने एक कंप्यूटर मॉडल (मशीन लर्निंग एल्गोरिदम) बनाया ताकि यह भविष्यवाणी की जा सके कि दो बैक्टीरिया एक साथ कितनी अच्छी तरह बढ़ेंगे। उन्होंने मॉडल को सारा डेटा दिया: प्रजाति, विशिष्ट गायब सामग्री, रसोई में उपलब्ध भोजन का प्रकार, और वे अकेले कितनी अच्छी तरह बढ़ते हैं।

परिणाम चौंकाने वाला था। कंप्यूटर ने पाया कि यह जानना कि कौन सी सामग्री गायब है, यह जानना उतना ही महत्वपूर्ण था जितना कि यह जानना कि बैक्टीरिया की कौन सी प्रजाति है। वास्तव में, वातावरण में मौजूद विशिष्ट भोजन (कार्बन या नाइट्रोजन) को जानने की तुलना में "गायब सामग्री" को जानना सफलता का बेहतर भविष्यवक्ता था।

इसका मतलब यह है कि यदि आप जानना चाहते हैं कि दो बैक्टीरिया आपस में तालमेल बिठाएंगे या नहीं, तो आपको यह जानने की आवश्यकता नहीं है कि वे अभी क्या खा रहे हैं। आपको बस यह जानने की आवश्यकता है कि वे क्या नहीं बना सकते। गायब अमीनो एसिड की "पहचान" एक रासायनिक हस्ताक्षर (chemical signature) ले जाती है जो यह निर्धारित करती है कि व्यापार कैसे काम करेगा, चाहे वह मिट्टी का नमूना हो या मानव आंत।

यह सब कुछ कैसे बदल देता है

यह शोध पत्र सुझाव देता है कि हम केवल एक सूक्ष्मजीव के डीएनए को देखकर यह नहीं कह सकते कि, "इस एक को मेथियोनीन की आवश्यकता है, इसलिए इसे हमेशा एक साथी की आवश्यकता होगी।" यह बहुत सरल है। वातावरण आवश्यकता को नया रूप देता है। एक सूक्ष्मजीव एक रसोई में अकेला रहने वाला हो सकता है और दूसरी रसोई में एक सुपर-ट्रेडर हो सकता है।

हालाँकि, भले ही वातावरण नियमों को बदल देता है, फिर भी गायब सामग्री का प्रकार एक विश्वसनीय दिशा सूचक बना रहता है। यह बताता है कि बैक्टीरिया कैसे जीन खोते हैं और एक-दूसरे पर निर्भर हो जाते हैं, यह यादृच्छिक अराजकता (random chaos) नहीं है। यह उन जैव-रासायनिक पथों (biochemical pathways) से जुड़े पैटर्न का पालन करता है जिन्हें उन्होंने तोड़ा है। यदि एक बैक्टीरिया किसी विशिष्ट अमीनो एसिड को बनाने की क्षमता खो देता है, तो वह विशिष्ट हानि उसके चयापचय (metabolism) में एक अनुमानित "छेद" बना देती है जो दुनिया के साथ उसकी अंतःक्रिया को आकार देती है, चाहे वह मिट्टी का नमूना हो या मानव आंत।

संक्षेप में, सूक्ष्म जगत एक गतिशील, परिवर्तनशील बाजार है। व्यापार के नियम पत्थर पर नहीं लिखे गए हैं; वे मौसम के साथ बदलते हैं। लेकिन व्यापार की "मुद्रा" (currency)—विशिष्ट गायब सामग्री—सबसे शक्तिशाली बल बनी रहती है जो यह तय करती है कि खेल में कौन टिका रहेगा।