A hydrogenase-like activity associated with mitochondrial Complex I under hypoxia in vascular plants

द दशकों से, जीवविज्ञानी जानते हैं कि पौधों को भी, जानवरों की तरह, भोजन को ऊर्जा में बदलने के लिए एक जटिल आंतरिक नेटवर्क पर निर्भर रहना पड़ता है। इस प्रक्रिया के लिए आमतौर पर ऑक्सीजन की आवश्यकता होती है, जो अंतिम चरण के रूप में कार्य करती है ताकि कोशिकाएं ईंधन को कुशलतापूर्वक जला सकें। हालांकि, जब ऑक्सीजन की कमी होती है, जैसे कि जब किसी पौधे की जड़ें पानी में डूबी होती हैं, तो यह मानक प्रणाली रुक जाती है। बिना ऑक्सीजन के, जो खर्च हुए इलेक्ट्रॉनों को स्वीकार करने का काम करती है, कोशिका की ऊर्जा मशीनरी के बैकअप होने का खतरा रहता है, जिससे रासायनिक संकेतों का एक खतरनाक 'ट्रैफिक जाम' पैदा हो सकता है जो पौधे को नुकसान पहुँचा सकता है। साठ वर्षों से अधिक समय से, वैज्ञानिकों ने देखा है कि इन कम-ऑक्सीजन स्थितियों के तहत, उच्च श्रेणी के पौधे आणविक हाइड्रोजन गैस की सूक्ष्म मात्रा छोड़ते हैं। फिर भी, इस गैस का स्रोत एक रहस्य बना रहा। प्रश्न केवल यह नहीं था कि गैस कहाँ से आई, बल्कि यह भी था कि एक पादप कोशिका, जिसमें हाइड्रोजन उत्पन्न करने वाले बैक्टीरिया में पाए जाने वाले विशिष्ट एंजाइमों का अभाव है, इसे कैसे उत्पन्न कर सकती है। इस तंत्र को समझना महत्वपूर्ण है क्योंकि यह प्रकट करता है कि पौधे तनाव से कैसे बचते हैं और जब आवश्यक हवा उपलब्ध नहीं होती, तो वे अपने आंतरिक रासायनिक संतुलन को कैसे प्रबंधित करते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस मायावी हाइड्रोजन उत्पादन का पता पौधे की कोशिका के भीतर एक विशिष्ट स्थान तक लगा लिया है: माइटोकॉन्ड्रिया, जो ऊर्जा उत्पन्न करने वाले पावरहाउस हैं। मूँग के बीज के युवा, अंधेरे में उगाए गए पौधों (सीडलिंग्स) का अध्ययन करके, वैज्ञानिकों ने पाया कि जब इन ऊतकों को थोड़े अम्लीय वातावरण में कम-ऑक्सीजन वाले परिवेश में रखा गया, तो उन्होंने हाइड्रोजन गैस जमा करना शुरू कर दिया। यह गतिविधि यादृच्छिक नहीं थी; यह एक विशाल प्रोटीन मशीन के रूप में ज्ञात 'कॉम्प्लेक्स I' (Complex I) से मजबूती से जुड़ी हुई थी, जो पौधे की श्वसन प्रणाली का एक केंद्रीय घटक है। जब शोधकर्ताओं ने कॉम्प्लेक्स I को रोकने वाला एक रसायन मिलाया, तो हाइड्रोजन उत्पादन लगभग तुरंत रुक गया। आगे के परीक्षणों ने दिखाया कि यह प्रक्रिया ऊर्जा प्रणाली के अन्य हिस्सों के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह पर निर्भर थी, विशेष रूप से अणुओं के एक समूह (pool) से जुड़ी थी जो इलेक्ट्रॉनों को ले जाते हैं और उन अंतिम चरणों से जुड़ी थी जहाँ ऑक्सीजन आमतौर पर श्रृंखला में प्रवेश करती है। डेटा ने संकेत दिया कि पौधा इस प्रतिक्रिया को चलाने के लिए विशिष्ट ईंधन स्रोतों का उपयोग कर रहा था, जैसे कि वे जो NADH नामक अणु उत्पन्न करते हैं।

सबसे आश्चर्यजनक खोज उत्पादित होने वाली हाइड्रोजन का व्यापक पैमाना थी। पौधे के ऊतक द्वारा उत्पन्न हाइड्रोजन गैस की मात्रा कोशिका में किसी भी एक क्षण में उपलब्ध ईंधन अणु, NADH, की कुल मात्रा से कहीं अधिक थी। वास्तव में, संचयी हाइड्रोजन आउटपुट, NADH के मापे गए पूल से लगभग सौ गुना बड़ा था। यह विसंगति बताती है कि पौधा केवल अपने ईंधन के स्थिर भंडार को जला नहीं रहा है। इसके बजाय, कोशिका लगातार अपने संसाधनों को पुनर्चक्रित (recycle) कर रही है। शोधकर्ता एक ऐसा मॉडल प्रस्तावित करते हैं जहाँ कॉम्प्लेक्स I मशीन के दो संस्करण मिलकर काम करते हैं। एक संस्करण, परिपक्व रूप, इलेक्ट्रॉनों को विपरीत दिशा में घुमाकर ईंधन की आपूर्ति को पुनर्जीवित करने में मदद करता है, एक ऐसी प्रक्रिया जिसमें आमतौर पर ऊर्जा की आवश्यकता होती है लेकिन यहाँ यह अन्य रसायनों के संचय द्वारा संचालित होती है। दूसरा संस्करण, उसी मशीन की एक थोड़ी अलग या पुनर्गठित अवस्था, एक 'सेफ्टी वाल्व' के रूप में कार्य करता है। यह पुनर्जीवित ईंधन को लेता है और हाइड्रोजन गैस का उत्पादन करने के लिए इसका उपयोग करता है, जिससे प्रभावी रूप से रासायनिक ट्रैफिक जाम साफ हो जाता है और क्षति को रोका जा सकता है।

यह तंत्र यह नया स्पष्टीकरण प्रदान करता है कि पौधे हानिकारक उपोत्पादों (byproducts) को उत्पन्न किए बिना तनाव को कैसे संभालते हैं। जानवरों में, ऊर्जा मशीनरी के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों को पीछे की ओर धकेलने से अक्सर 'रिएक्टिव ऑक्सीजन स्पीशीज' (reactive oxygen species) पैदा होते हैं, जो अस्थिर अणु हैं जो कोशिकाओं को नुकसान पहुँचा सकते हैं। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि इन इलेक्ट्रॉनों को हाइड्रोजन गैस में मोड़कर, पौधा इस खतरनाक संचय से बच जाता है। हाइड्रोजन उत्पादन एक निकास (outlet) के रूप में कार्य करता है, जिससे कोशिका ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में भी अपने आंतरिक रासायनिक चक्रों को सुचारू रूप से चलाने में सक्षम होती है। हालांकि परमाणु स्तर पर हाइड्रोजन कैसे बनता है, इसके सटीक चरणों का मानचित्रण अभी भी किया जा रहा है, लेकिन साक्ष्य एक विशिष्ट शाखा की ओर इशारा करते हैं जो कॉम्प्लेक्स I मशीन के भीतर स्थित है और जिसमें यह रसायन विज्ञान करने की क्षमता है। यह खोज बताती है कि इन ऊर्जा मशीनों का विकासवादी इतिहास पहले की तुलना में अधिक गहरा है, जो एक अंतर्निहित क्षमता को बनाए रखता है जो केवल विशिष्ट परिस्थितियों में प्रकट होती है। यह अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि इसने प्रक्रिया के हर विवरण को हल कर लिया है, लेकिन यह दृढ़ता से स्थापित करता है कि यह हाइड्रोजन उत्पादन पौधे के माइटोकॉन्ड्रियल सिस्टम का एक वास्तविक, विनियमित कार्य है, जो सामान्य पथ बाधित होने पर इलेक्ट्रॉनों के लिए एक महत्वपूर्ण निकास मार्ग प्रदान करता है।