A nuclear targeting approach enables efficient transgenesis in the milkweed bug Oncopeltus fasciatus
यह अध्ययन CRISPR-Cas9 द्वारा निर्मित उत्परिवर्ती उपभेदों को एक परमाणु लक्ष्यीकरण दृष्टिकोण के साथ जोड़कर मिल्कवीड बग *Oncopeltus fasciatus* के लिए एक कुशल ट्रांसजेनेसिस प्रणाली स्थापित करता है जो piggyBac-मध्यस्थ रूपांतरण को बढ़ाता है, जिससे उन्नत आनुवंशिक अनुसंधान के लिए एक तुलनात्मक मॉडल के रूप में इस प्रजाति की उपयोगिता का विस्तार होता है।
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कल्पना कीजिए कि एक ऐसी दुनिया है जहाँ वैज्ञानिक एक बेहतरीन व्यंजन पकाने की कोशिश करने वाले मास्टर शेफ की तरह हैं, लेकिन उनके पास केवल एक ही रेसिपी बुक है: फ्रूट फ्लाई (फल मक्खी)। दशकों से, जीवविज्ञानी जीवन के कैसे बढ़ने, बदलने और विकसित होने को समझने के लिए Drosophila melanogaster पर निर्भर रहे हैं। लेकिन जिस तरह एक शेफ को स्वाद के पूरे स्पेक्ट्रम को समझने के लिए विभिन्न व्यंजनों को चखने की आवश्यकता होती है, उसी तरह वैज्ञानिकों को जीवन की "रेसिपी" को वास्तव में समझने के लिए कई अलग-अलग जानवरों का अध्ययन करने की आवश्यकता है। कीट पृथ्वी पर सबसे विविध जीवों के समूह हैं, फिर भी उनमें से अधिकांश जेनेटिक अध्ययन के लिए इसलिए बंद हैं क्योंकि उन्हें एडिट करना बहुत कठिन है। उनके रहस्यों को खोलने के लिए, वैज्ञानिकों को एक "मास्टर कुंजी" की आवश्यकता है—एक ऐसा तरीका जिससे वे किसी कीट के डीएनए में नए जेनेटिक निर्देश डाल सकें और देख सकें कि क्या होता है। यहीं से ट्रांसजेनेसिस (transgenesis) आता है: किसी जीव के ब्लूप्रिंट में एक नया जीन डालने की कला। लक्ष्य इन विविध कीटों को "मॉडल ऑर्गेनिज्म" में बदलना है, जिससे हम यह तुलना कर सकें कि विभिन्न प्रजातियां अपने शरीर का निर्माण कैसे करती हैं, विकास (evolution) जीवन को कैसे आकार देता है इसके रहस्य को सुलझा सकें, और इस बड़े सवाल का जवाब दे सकें कि कीड़े इस तरह क्यों दिखते और व्यवहार करते हैं।
इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने मिल्कवीड बग (milkweed bug), Oncopeltus fasciatus को लक्षित करने का निर्णय लिया। यह कीट जीव विज्ञान के इतिहास में एक सेलिब्रिटी की तरह है, जो 20-वीं सदी के मध्य में एक पसंदीदा विषय रहा था, इससे पहले कि फ्रूट फ्लाई ने जगह ले ली। टीम इस मिल्कवीड बग को फिर से सुर्खियों में लाने के लिए इसके लिए एक हाई-टेक टूलकिट बनाने चाहती थी। हालाँकि, उन्हें एक दीवार का सामना करना पड़ा: इन बग्स में नए जीन इंजेक्ट करने के मानक तरीके ऐसे थे जैसे आँखों पर पट्टी बांधकर चलते लक्ष्य पर निशाना लगाने की कोशिश करना—कभी-कभी वे काम करते थे, लेकिन ज्यादातर विफल हो जाते थे। इन बग्स की गहरी, काली आँखें भी यह देखने को लगभग असंभव बना देती थीं कि नए जीन वास्तव में स्थापित हुए हैं या नहीं, क्योंकि वैज्ञानिकों द्वारा जीनों को ट्रैक करने के लिए उपयोग किए जाने वाले फ्लोरोसेंट लाइट्स अंधेरे में छिपे हुए थे।
इसे हल करने के लिए, टीम ने पहले जेनेटिक "लेगो" (Lego) का खेल खेला। उन्होंने CRISPR/Cas9 नामक एक शक्तिशाली जीन-एडिटिंग टूल का उपयोग करके बग के दो विशिष्ट जीनों को तोड़ा जो उनके गहरे पिगमेंट (रंगद्रव्य) के लिए जिम्मेदार थे: एक जो आँखों को काला बनाता है और दूसरा जो शरीर को रंग देता है। इन टूटे हुए जीनों को मिलाकर, उन्होंने मिल्कवीड बग की एक नई नस्ल बनाई जिसकी आँखें चमकीली, नारंगी और शरीर पीला था। इसे एक अंधेरे, धुएँ वाले कमरे को एक उज्ज्वल, प्रकाशित स्टूडियो में बदलने के रूप में सोचें; अचानक, नए जीनों से निकलने वाले फ्लोरोसेंट सिग्नल स्पष्ट रूप से देखे जा सकते थे, जैसे अंधेरी गली में नियॉन साइन।
अपने इस नए "लाइटबल्ब" बग के साथ, वे असली चुनौती की ओर मुड़े: जीन-डिलीवरी सिस्टम को कुशलतापूर्वक काम करने के योग्य बनाना। उन्होंने piggyBac नामक एक आणविक वाहन का उपयोग किया, जो एक छोटे ट्रक की तरह काम करता है जो डीएनए को कोशिका के केंद्रक (nucleus) में ले जाता है। समस्या यह थी कि ट्रक का ड्राइवर, एक प्रोटीन जिसे hyPBase कहा जाता है, हमेशा सही पते तक नहीं पहुँच पा रहा था। शोधकर्ताओं ने परिकल्पना की कि ड्राइवर को एक बेहतर GPS की आवश्यकता है। उन्होंने ड्राइवर प्रोटीन पर अलग-अलग संख्या में "न्यूक्लियर लोकलाइजेशन सिग्नल्स" (NLS)—जो कि "केंद्रक की ओर जाएँ" के छोटे स्टिकर की तरह हैं—जोड़ने का परीक्षण किया।
परिणाम "गोल्डिलॉक्स" (Goldilocks) के खेल की तरह थे। जब उन्होंने कोई स्टिकर नहीं जोड़ा, तो ट्रक अक्सर रास्ता भटक जाता था। जब उन्होंने बहुत अधिक (पाँच स्टिकर) जोड़े, तो ड्राइवर इतना भ्रमित या बोझिल हो गया कि ट्रक ने पूरी तरह से काम करना बंद कर दिया। लेकिन जब उन्होंने केवल एक या तीन स्टिकर जोड़े, तो ट्रक सीधे केंद्रक की ओर तेजी से निकल गया। इस "न्यूक्लियर टारगेटिंग" दृष्टिकोण ने सफलता दर को काफी बढ़ा दिया। अपने प्रयोगों में, अनुकूलित ड्राइवर का उपयोग करते हुए, उन्होंने बेबी बग्स की आँखों में लगभग 15% से 38% तक फ्लोरोसेंट मार्कर्स देखे, जो पिछले असंगत परिणामों की तुलना में एक बड़ी सुधार थी।
टीम वहीं नहीं रुकी। उन्होंने इस नए, कुशल सिस्टम का उपयोग करके बग्स में विभिन्न जेनेटिक "पैकेज" डाले। उन्होंने सफलतापूर्वक ऐसे स्ट्रेन बनाए जहाँ बग्स की कोशिकाएं फ्लोरोसेंट हिस्टोन (प्रोटीन जो डीएनए को थामे रखते हैं) के साथ चमकती थीं, जिससे वे मोटे अंडे के छिलके के माध्यम से भी वास्तविक समय में बग्स के भ्रूण के विकास को देख सकते थे। उन्होंने एक "बाइनरी एक्सप्रेशन सिस्टम" का भी परीक्षण किया जिसे Q सिस्टम कहा जाता है, जो एक लाइट स्विच की तरह काम करता है: आप अपनी इच्छानुसार विशिष्ट जीनों को चालू या बंद कर सकते हैं। उन्होंने पाया कि यह स्विच मिल्कवीड बग में पूरी तरह से काम करता है, जो अविश्वसनीय रूप से जटिल प्रयोगों के लिए द्वार खोलता है जहाँ वैज्ञानिक बिल्कुल नियंत्रित कर सकते हैं कि कब और कहाँ एक जीन सक्रिय है।
हालाँकि उन्हें अपने नए "लाइटबल्ब" बग्स और अनुकूलित डिलीवरी ट्रक के साथ बड़ी सफलता मिली, लेकिन उन्हें कुछ बाधाओं का भी सामना करना पड़ा। उन्होंने एक क्रिकेट से प्रमोटर (एक जेनेटिक "ऑन-स्विच") का उपयोग करके मिल्कवीड बग में जीन एक्सप्रेशन को चलाने की कोशिश की, इस उम्मीद में कि यह सार्वभौमिक रूप से काम करेगा। इसके बजाय, इसने एक टूटे हुए स्विच की तरह व्यवहार किया, जो हर जगह रहने के बजाय केवल मांसपेशी शीथ (muscle sheaths) जैसे विशिष्ट ऊतकों में ही सक्रिय हुआ। इसने उन्हें सिखाया कि आप केवल अलग-अलग कीट प्रजातियों के बीच के पुर्जों को बदल नहीं सकते और यह उम्मीद नहीं कर सकते कि वे एक ही तरह से काम करेंगे; उन्हें पूरे शरीर को रोशन करने के लिए बग के अपने मूल "ऑन-स्विच" (एक एक्टिन प्रमोटर) को खोजना पड़ा।
अंततः, यह पेपर सुझाव देता है कि एक संशोधित जेनेटिक बैकग्राउंड को मिलाकर जो बग्स को देखना आसान बनाता है, और उनके जीनों के लिए एक स्मार्ट डिलीवरी सिस्टम के साथ, वैज्ञानिक अब मिल्कवीड बग को विकास और विकास (evolution and development) के अध्ययन के लिए एक शक्तिशाली, बहुमुखी मॉडल के रूप में उपयोग कर सकते हैं। उन्होंने केवल एक लीक होते नल को ठीक नहीं किया है; उन्होंने एक पूरी नई प्लंबिंग प्रणाली बनाई है, यह साबित करते हुए कि सही बदलावों के साथ, गैर-पारंपरिक कीट भी जेनेटिक स्टेज के सितारे बन सकते हैं।
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