Mechanism-based prediction of insertion-driven high pathogenicity avian influenza virus emergence

पक्षियों के श्वसन तंत्र में एक निरंतर, अदृश्य खतरा बना रहता है: एवियन इन्फ्लुएंजा (बर्ड फ्लू)। इनमें से अधिकांश वायरस हल्के होते हैं, जिससे केवल कुछ बीमार पंख या अंडे उत्पादन में अस्थायी गिरावट आती है। हालांकि, इन वायरसों का एक छोटा समूह घातक रूप में उत्परिवर्तित (mutate) हो सकता है जो इसके संपर्क में आने वाले लगभग हर पक्षी को मार डालता है और मनुष्यों के लिए गंभीर जोखिम पैदा करता है। एक हल्के वायरस से घातक वायरस में परिवर्तन वायरस के बाहरी खोल में एक छोटे से, सूक्ष्म बदलाव पर निर्भर करता है। यह खोल, जिसे हेमाग्लगुटिनिन (hemagglutinin) कहा जाता है, एक चाबी की तरह कार्य करता है जो कोशिका के दरवाजे को खोलता है। हल्के वायरसों में, इस चाबी में एक सरल, एकल खांचा होता है जिसे केवल पक्षी के फेफड़ों और आंतों में मौजूद विशिष्ट एंजाइम ही घुमा सकते हैं। घातक वायरसों में, चाबी एक जटिल, बहु-दंतीय खांचा विकसित कर लेती है जिसे पक्षी के पूरे शरीर का कोई भी एंजाइम घुमा सकता है। यह वायरस को हर जगह फैलने की अनुमति देता है, जिससे एक स्थानीय संक्रमण एक प्रणालीगत आपदा (systemic catastrophe) में बदल जाता है। दशकों से, वैज्ञानिक जानते थे कि ये घातक वायरस लगभग हमेशा पक्षियों के केवल दो उपप्रकारों, H5 और H7 में दिखाई देते हैं, लेकिन वे यह नहीं समझ पाए थे कि ये विशिष्ट उपप्रकार अन्य प्रकारों की तुलना में घातक खांचा विकसित करने के प्रति इतने संवेदनशील क्यों हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस विशिष्ट भेद्यता (vulnerability) के पीछे के यांत्रिक कारण का पता लगा लिया है। उन्होंने खोजा कि घातक परिवर्तन वायरस के अपने आनुवंशिक पदार्थ के जटिल गांठ में फंसने के कारण नहीं होता है, जैसा कि पहले कुछ लोगों ने संदेह किया था। इसके बजाय, यह परिवर्तन वायरस के आनुवंशिक कोड में अक्षरों के एक सरल, दोहराव वाले अनुक्रम (sequence) के कारण होता है। जब वायरस अपने आनुवंशिक निर्देशों की नकल (copy) करता है, तो नकल करने वाली मशीन कभी-कभी फिसल जाती है। यदि आनुवंशिक कोड में एक ही अक्षर का एक लंबा हिस्सा बार-बार दोहराया जाता है, तो मशीन अपना स्थान खो देती है, एक खंड की दो बार नकल करती है, और नए कोड में अतिरिक्त अक्षर डाल देती है। यह आकस्मिक दोहराव उस जटिल, बहु-दंती खांचे का निर्माण करता है जो एक हल्के वायरस को घातक बना देता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि केवल H5 और H7 उपप्रकार ही स्वाभाविक रूप से उन विशिष्ट आनुवंशिक व्यवस्थाओं को धारण करते हैं जो इस फिसलने और दोहराव को अत्यधिक संभावित बनाते हैं, जिससे यह स्पष्ट होता है कि घातक रूप मुख्य रूप से इन्हीं दो समूहों में क्यों उभरता है।

इसे सिद्ध करने के लिए, वैज्ञानिकों ने एक नियंत्रित प्रयोगशाला प्रणाली बनाई जहाँ वे प्राकृतिक चयन के दबाव के बिना वायरस को अपने आनुवंशिक कोड की नकल करते हुए देख सकते थे। उन्होंने एक हल्के वायरस के हेमाग्लगुटिनिन चाबी के आनुवंशिक निर्देशों को एक अलग वायरस में डाला, जो पहले से ही एक काम करने वाली चाबी से सुसज्जित था। इस सेटअप ने उन्हें अलगाव में नकल की प्रक्रिया को देखने की अनुमति दी। उन्होंने दो संस्करणों के आनुवंशिक कोड की तुलना की: एक जो स्थिर माना जाता था और दूसरा जो अक्सर घातक रूप में उत्परिवर्तित होता था। परिणाम स्पष्ट थे। लंबे, दोहराव वाले अक्षरों वाले संस्करण ने आकस्मिक दोहरावों की भारी मात्रा उत्पन्न की, जबकि स्थिर संस्करण ने लगभग कोई नहीं बनाया। शोधकर्ताओं ने फिर परीक्षण किया कि क्या आनुवंशिक स्ट्रैंड का आकार, जिसका कुछ सिद्धांतों ने सुझाव दिया था कि वह नकल करने वाली मशीन को फंसा सकता है, इसका कारण था। उन्होंने ऐसे वायरस इंजीनियर किए जिनके आकार बहुत स्थिर और गांठदार थे और अन्य जिनमें कोई गांठ नहीं थी। परिणामों ने दिखाया कि आकार मायने नहीं रखता था; केवल अक्षरों का कच्चा अनुक्रम ही उत्परिवर्तन का एकमात्र चालक था। अक्षरों का एक लंबा दोहराव वाला हिस्सा ही त्रुटि का एकमात्र कारण था।

टीम ने एक कंप्यूटर मॉडल विकसित किया जो सटीक रूप से भविष्यवाणी कर सके कि ये फिसलन कहाँ और कितनी बार होगी। उन्होंने मॉडल को आनुवंशिक कोड के ऊष्मप्रवैगिकी (thermodynamic) गुणों से अवगत कराया—वह ऊर्जा जो कॉपी किए गए स्ट्रैंड को मूल टेम्पलेट से जोड़े रखने के लिए आवश्यक है। मॉडल ने प्रयोगशाला में देखे गए उत्परिवर्तन के सटीक पैटर्न की सफलतापूर्वक भविष्यवाणी की। इसने दिखाया कि जब नकल करने वाली मशीन फिसलती है, तो यह नए स्ट्रैंड और पुराने स्ट्रैंड के बीच के बंधन की अस्थायी अस्थिरता से प्रेरित होती है। यदि बंधन कमजोर है, तो नया स्ट्रैंड पीछे की ओर फिसलता है और गलत स्थान पर फिर से जुड़ जाता है, जिससे मशीन एक खंड की दो बार नकल करती है। शोधकर्ताओं ने इस मॉडल को प्रकृति में पाए जाने वाले हजारों वास्तविक दुनिया के वायरस अनुक्रमों पर लागू किया। उन्होंने पाया कि अधिकांश हल्के वायरसों में इस फिसलन को ट्रिगर करने के लिए सही अक्षरों का संयोजन नहीं होता है। हालांकि, उन्होंने कुछ दुर्लभ वायरसों की पहचान की जो अक्षरों का एक विशिष्ट व्यवस्था—एडेनिन (adenine) का एक लंबा दोहराव वाला हिस्सा, जो एक विशिष्ट प्रकार का आनुवंशिक अक्षर है—धारण करते हैं, जो उन्हें फिसलने और घातक खांचा बनाने के लिए अत्यधिक संभावित बनाता है।

यह खोज वैज्ञानिकों के घातक बर्ड फ्लू के उद्भव के प्रति दृष्टिकोण को बदल देती है। यह सुझाव देती है कि जोखिम यादृच्छिक (random) नहीं है बल्कि सीधे वायरस के आंशिक अनुक्रम में कोडित है। शोधकर्ताओं ने पाया कि किसी वायरस के इस विशिष्ट तंत्र के माध्यम से घातक होने के लिए, उसे दो चीजों की आवश्यकता होती है: अक्षरों का एक लंबा दोहराव वाला क्रम जो नकल करने वाली मशीन को फिसलने के लिए प्रोत्साहित करे, और एक आस-पास का अनुक्रम जो मशीन को फिसलने के बाद फिर से जुड़ने और नकल जारी रखने की अनुमति दे। उन्होंने पाया कि जबकि H5 और H7 वायरस में ये स्थितियां अक्सर होती हैं, अन्य उपप्रकारों में नहीं होती हैं। उदाहरण के लिए, उन्होंने एक अलग उपप्रकार, H12 के वायरस का विश्लेषण किया, जो कभी भी घातक होने के लिए नहीं देखा गया था। जब उन्होंने कृत्रिम रूप से H12 वायरस में दोहराए गए अक्षरों का विशिष्ट अनुक्रम जोड़ा, तो यह तुरंत उसी खतरनाक फिसलन के प्रति संवेदनशील हो गया। यह पुष्टि करता है कि परिवर्तन की क्षमता वायरस की समग्र पहचान का नहीं, बल्कि अनुक्रम का मामला है।

अध्ययन ने पिछले प्रकोपों को देखने के लिए ऐतिहासिक घटनाओं का भी विश्लेषण किया कि क्या यह तंत्र पिछले आयोजनों की व्याख्या करता है। पिछले घातक प्रकोपों के वायरसों के आनुवंशिक अनुक्रमों का पुनर्निर्माण करके, टीम ने पाया कि घातक प्रकोपों का कारण बनने वाले वायरसों ने लगभग हमेशा एक मध्यवर्ती चरण से गुजरते हुए एक लंबा दोहराव वाला खंड विकसित किया था। यह मध्यवर्ती चरण एक 'स्टेपिंग स्टोन' के रूप में कार्य करता था, जिससे वायरस अत्यधिक अस्थिर हो जाता था और उस अंतिम दोहराव के लिए प्रवण हो जाता था जिसने घातक रूप का निर्माण किया। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि कुछ मामलों में, वायरस को इस घटना को ट्रिगर करने के लिए आठ दोहराए गए अक्षरों के विस्तार की आवश्यकता थी, जबकि अन्य में कम अक्षरों की आवश्यकता थी। उन्होंने यह भी पाया कि यह प्रक्रिया अलग-अलग होती है, चाहे वायरस अपने आप की अधिक प्रतियां बनाने के लिए अपने आनुवंशिक कोड की नकल कर रहा हो या मैसेंजर आरएनए (mRNA) बनाने के लिए। H5 वायरसों में, फिसलन मुख्य रूप से आनुवंशिक कोड की नकल के दौरान होती है, जबकि H7 वायरसों में, यह दोनों प्रक्रियाओं के दौरान होती है।

इस कार्य के निहितार्थ महत्वपूर्ण हैं। शोधकर्ताओं ने एक ऐसा उपकरण विकसित किया है जो प्रसारित हो रहे बर्ड फ्लू वायरसों के आनुवंशिक अनुक्रमों को स्कैन कर सकता है और भविष्यवाणी कर सकता है कि कौन से घातक होने के लिए आनुवंशिक रूप से पूर्व-निर्धारित हैं। उन्होंने पाया कि जबकि अधिकांश हल्के वायरस सुरक्षित हैं, एक छोटा संख्या में वायरस विशिष्ट आनुवंशिक हस्ताक्षर रखते हैं जो उन्हें उच्च जोखिम में डाल देता है। प्रकृति में ये जोखिम वाले वायरस दुर्लभ हैं, क्योंकि वे अस्थिर होते हैं और व्यापक रूप से फैलने से पहले ही अक्सर समाप्त हो जाते हैं। हालांकि, जब वे प्रकट होते हैं, तो वे एक आनुवंशिक कगार पर बैठे होते हैं, जो बस एक और फिसलन के साथ घातक अवस्था में गिरने के लिए तैयार होते हैं। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि घातक बर्ड फ्लू का H5 और H7 उपप्रकारों तक सीमित होना वायरस के जीव विज्ञान का रहस्य नहीं है, बल्कि उनके विशिष्ट आनुवंशिक अनुक्रमों पर भौतिकी और रसायन विज्ञान के नियमों का एक सरल परिणाम है। इस फिसलन के यांत्रिक कारण को समझकर, वैज्ञानिक अब उन विशिष्ट आनुवंशिक पैटर्नों को खोज सकते हैं जो खतरे का संकेत देते हैं, जिससे संभावित रूप से एक हल्के वायरस के वैश्विक खतरे में बदलने से पहले ही शीघ्र पहचान और हस्तक्षेप संभव हो सकेगा।