Valeriana officinalis genome sequence reveals candidate genes for valerenic acid biosynthesis and flavonoid metabolism

पौधों ने लंबे समय से प्रकृति के औषधालय के रूप में कार्य किया है, जो ऐसे यौगिक प्रदान करते हैं जो मन को शांत कर सकते हैं या शारीरिक दर्द को कम कर सकते हैं। इनमें से, वैलेरियन (valerian) के पौधे ने मानव इतिहास में एक विशेष स्थान बनाया है, जिसका उपयोग सदियों से नींद और चिंता में मदद करने के लिए एक सौम्य शामक (sedative) के रूप में किया जाता रहा है। इसके शांत प्रभाव का रहस्य एक विशिष्ट रसायन में निहित है जिसे वैलेरेनिक एसिड (valerenic acid) कहा जाता है, जिसे पौधा अपनी जड़ों में बनाता है। लंबे समय तक, वैज्ञानिक समझते थे कि यह रसायन पौधे की कोशिका के भीतर बुनियादी सामग्रियों से कैसे बनता है, लेकिन उनके पास पौधे का पूर्ण आनुवंशिक निर्देश मानचित्र (genetic map) नहीं था। इस मानचित्र के बिना, यह जानना कठिन था कि कौन से जीन वास्तव में इस दवा को बनाने के लिए जिम्मेदार हैं, उन जीनों की कितनी प्रतियां मौजूद हैं, या पौधा उनकी गतिविधि को कैसे नियंत्रित करता है। किसी पौधे के संपूर्ण आनुवंशिक कोड को अनलॉक करना उसके पूरे निर्देश मैनुअल को पढ़ने जैसा है; यह न केवल भागों की सूची को प्रकट करता है, बल्कि यह भी बताता है कि वे भाग कैसे व्यवस्थित हैं और जटिल गुणों को बनाने के लिए वे एक साथ कैसे काम कर सकते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब वैलेरियन के पौधे के लिए वह मैनुअल लिख दिया है। Valeriana officinalis के संपूर्ण जीनोम को अनुक्रमित (sequencing) करके, उन्होंने इस महत्वपूर्ण औषधीय प्रजाति के लिए पहला उच्च-गुणवत्ता वाला आनुवंशिक ब्लूप्रिंट तैयार किया है। परिणामी मानचित्र विशाल है, जिसमें आनुवंशिक जानकारी के लगभग 3.3 बिलियन निर्माण खंड (building blocks) शामिल हैं, जो एक ऐसी संरचना में व्यवस्थित हैं जो पौधे के जटिल इतिहास को दर्शाती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि अध्ययन किए गए विशिष्ट वैलेरियन के पौधों में चार गुणसूत्रों (chromosomes) के सेट होते हैं, एक ऐसी आनुवंशिक व्यवस्था जो अक्सर बड़े और अधिक मजबूत पौधों की ओर ले जाती है। इस नए मानचित्र के साथ, वे वैलेरेनिक एसिड का उत्पादन करने वाले सटीक जीन के साथ-साथ उन जीनों की भी पहचान करने में सक्षम हुए जो फ्लेवोनोइड्स (flavonoids) जैसे अन्य लाभकारी यौगिकों का निर्माण करते हैं, जो फूलों को गुलाबी और सफेद रंग देते हैं और एंटीऑक्सीडेंट लाभ प्रदान करते हैं।

इस आनुवंशिक मानचित्र तक पहुँचने की यात्रा पौधे की कोशिकाओं के सावधानीपूर्वक अवलोकन के साथ शुरू हुई। डीएनए को पढ़ने के जटिल कार्य में उतरने से पहले, टीम को पौधे की गुणसूत्र संख्या की पुष्टि करने की आवश्यकता थी, क्योंकि वैलेरियन की विभिन्न किस्मों में गुणसूत्रों की संख्या अलग-अलग हो सकती है। एक नियंत्रित बगीचे में उगाए गए पौधों की जड़ के सिरों (root tips) का उपयोग करते हुए, उन्होंने सूक्ष्मदर्शी के नीचे कोशिकाओं का परीक्षण किया और गुणसूत्रों को गिना। उन्होंने जांचा गया प्रत्येक पौधा 28 गुणसूत्रों के साथ पाया, जिससे पुष्टि हुई कि ये विशिष्ट नमूने टेट्राप्लॉइड (tetraploid) थे, जिसका अर्थ है कि वे चार पूर्ण आनुवंशिक निर्देशों के सेट ले जाते हैं। यह विवरण महत्वपूर्ण था क्योंकि इसने शोधकर्ताओं को डेटा के पैमाने को समझने और अंतिम अनुक्रम की व्याख्या करने में मदद की।

जीनोम बनाने के लिए, टीम ने वैलेरियन के पौधों की युवा पत्तियों से उच्च-गुणवत्ता वाला डीएनए निकाला। उन्होंने एक आधुनिक अनुक्रमण तकनीक (sequencing technology) का उपयोग किया जो आनुवंशिक कोड के लंबे स्ट्रैंड्स को पढ़ती है, जो विशेष रूप से उन जटिल जीनोमों को जोड़ने में सहायक है जिनमें कई दोहराव वाले खंड होते हैं। शोधकर्ताओं ने भारी मात्रा में डेटा उत्पन्न किया और फिर इन लंबे स्ट्रैंड्स को एक निरंतर अनुक्रम में जोड़ने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर एल्गोरिदम का उपयोग किया। वे केवल एक विधि पर निर्भर नहीं थे; इसके बजाय, उन्होंने एक पूर्ण और अत्यधिक सटीक संस्करण बनाने के लिए विभिन्न संयोजन दृष्टिकोणों के परिणामों को मिलाया। परिणाम एक जीनोम अनुक्रम था जिसका औसत निरंतर टुकड़ों की लंबाई 100 मिलियन से अधिक निर्माण खंडों से अधिक थी, विवरण का एक ऐसा स्तर जो वैज्ञानिकों को जीन के संगठन को उल्लेखनीय स्पष्टता के साथ देखने की अनुमति देता है।

मानचित्र तैयार होने के बाद, शोधकर्ताओं ने पौधे के औषधीय गुणों के लिए जिम्मेदार विशिष्ट जीनों पर ध्यान केंद्रित किया। उन्होंने उस मार्ग (pathway) से शुरुआत की जो वैलेरेनिक एसिड बनाता है। वे जानते थे कि पिछले अध्ययनों से कि यह प्रक्रिया एक एंजाइम से शुरू होती है जो एक बुनियादी रासायनिक निर्माण खंड को एक वलय संरचना (ring structure) में बदल देता है, जिसके बाद ऑक्सीजन परमाणुओं को जोड़ने के लिए चरणों की एक श्रृंखला होती है ताकि अंतिम एसिड बन सके। नए जीनोम का उपयोग करते हुए, उन्होंने उन एंजाइमों के लिए कोड करने वाले जीनों की खोज की। उन्होंने जीनों के एक बड़े परिवार को पाया जो प्रारंभिक घुमावदार चरण को करने में सक्षम है, और उन्होंने उन विशिष्ट जीनों की पहचान की जो पिछले प्रयोगों के ज्ञात एंजाइमों से मेल खाते थे। सबसे दिलचस्प निष्कर्षों में से एक गुणसूत्र पर एक-दूसरे के बहुत करीब स्थित जीनों का एक समूह था। इस क्लस्टर में वह जीन शामिल था जो प्रारंभिक घुमावदार एंजाइम के लिए है और वह जीन जो एक प्रमुख ऑक्सीजन-जोड़ने वाले एंजाइम के लिए है, जो एक सघन क्षेत्र में अगल-बगल स्थित हैं। यह भौतिक समूहन सुझाव देता है कि पौधे ने इन महत्वपूर्ण उत्पादन चरणों को एक साथ रखने के लिए विकसित किया होगा, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि वे दवा को कुशलतापूर्वक बनाने के लिए एक ही समय में चालू और बंद हों।

टीम ने पौधे के रंगीन फूलों और इसके एंटीऑक्सीडेंट यौगिकों के लिए जिम्मेदार जीनों की भी जांच की। वैलेरियन के पौधे फ्लेवोनोइड्स का उत्पादन करते हैं, जो रसायनों का एक समूह है जिसमें एंथोसायनिन (anthocyanins) जैसे पिगमेंट शामिल हैं, जो फूलों को गुलाबी या बैंगनी रंग देते हैं। शोधकर्ताओं ने इन पिगमेंट के निर्माण के लिए आवश्यक जीनों के पूर्ण सेट की पहचान की, जो बुनियादी संरचना बनाने के शुरुआती चरणों से लेकर रंग को स्थिर करने के लिए चीनी के अणुओं को जोड़ने के अंतिम चरणों तक विस्तृत है। उन्होंने पाया कि पौधे के पास इन यौगिकों के उत्पादन के लिए सभी आवश्यक आनुवंशिक उपकरण मौजूद हैं, जिसमें नियामक जीन (regulatory genes) भी शामिल हैं जो उत्पादन को चालू करने के लिए स्विच के रूप में कार्य करते हैं। इन जीनों की उपस्थिति पौधे के फूलों के दृश्य अवलोकन के अनुरूप है, जो गुलाबी और सफेद रंगों की एक श्रृंखला प्रदर्शित करते हैं। इसके अलावा, टीम ने नोट किया कि चूंकि पौधे में चार गुणसूत्र सेट हैं, इसलिए इनमें से कई जीन कई प्रतियों के रूप में दिखाई देते हैं, जो पौधे को इन लाभकारी रसायनों की उच्च मात्रा का उत्पादन करने की अनुमति दे सकता है।

यह नया आनुवंशिक संसाधन इस बात पर भविष्य के अनुसंधान के लिए एक ठोस आधार प्रदान करता है कि वैलेरियन अपने औषधीय यौगिकों का उत्पादन कैसे करता है। जीनों की पूर्ण सूची और उनके विन्यास को देखकर, वैज्ञानिक अब प्रयोगों को डिजाइन कर सकते हैं ताकि यह परीक्षण किया जा सके कि वे जीवित पौधे में वास्तव में कैसे कार्य करते हैं। यह ज्ञान अंततः वैलेरियन की बेहतर किस्मों को उगाने में मदद कर सकता है जो सक्रिय अवयवों का अधिक उत्पादन करती हैं, या चिकित्सा उपयोग के लिए इन यौगिकों के निर्माण के नए तरीके विकसित करने में मदद कर सकता है। यह अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि इसने वैलेरियन जीव विज्ञान के हर रहस्य को सुलझा लिया है, लेकिन इसने इसे समझने की सबसे बड़ी बाधा को हटा दिया है: एक आनुवंशिक मानचित्र का अभाव। इस मानचित्र के साथ, पौधे की अद्वितीय रसायन विज्ञान का अध्ययन करने के लिए आगे का रास्ता स्पष्ट है, जो यह समझने की गहरी अंतर्दृष्टि की आशा प्रदान करता है कि प्रकृति अपने सबसे प्रभावी उपचार कैसे बनाती है।