BGC Atlas v2: biosynthetic gene clusters with taxonomic and environmental context at scale

सूक्ष्म जगत की गहराइयों में, बैक्टीरिया और आर्किया निरंतर रासायनिक युद्ध और बातचीत में लगे रहते हैं। जीवित रहने के लिए, वे जटिल अणुओं की एक विस्तृत श्रृंखला का उत्पादन करते हैं, जिन्हें माध्यमिक मेटाबोलाइट्स (secondary metabolites) के रूप में जाना जाता है, जो प्रतिस्पर्धियों के विरुद्ध हथियारों, पड़ोसियों के लिए संकेतों, या अपने परिवेश को नियंत्रित करने वाले उपकरणों के रूप में कार्य करते हैं। मनुष्यों के लिए, ये नन्हे कारखाने एक खजाने के समान रहे हैं, जिन्होंने हमारे अधिकांश एंटीबायोटिक्स, कैंसर के उपचार और अन्य जीवन रक्षक दवाएं प्रदान की हैं। हालाँकि, इन रासायनिक क्षमताओं का एक बड़ा हिस्सा अभी भी छिपा हुआ है। जबकि वैज्ञानिकों ने सूक्ष्मजीवों के आनुवंशिक ब्लूप्रिंट को पढ़ना सीख लिया है, इन उपयोगी यौगिकों को बनाने के विशिष्ट निर्देशों को खोजना घास के ढेर में सुई खोजने जैसा रहा है, विशेष रूप से तब जब उन सूक्ष्मजीवों को प्रयोगशाला में उगाया नहीं जा सकता।

इसे हल करने के लिए, शोधकर्ता जीनोम माइनिंग (genome mining) नामक विधि का उपयोग करते हैं। वे डीएनए में एक साथ स्थित जीन के विशिष्ट समूहों की तलाश करते हैं, जो एक एकल रासायनिक उत्पाद के निर्माण के लिए एक पूर्ण निर्देश नियमावली के रूप में कार्य करते हैं। इन समूहों को बायोसिंथेटिक जीन क्लस्टर (biosynthetic gene clusters) कहा जाता है। मिट्टी, महासागरों और यहाँ तक कि अन्य जानवरों के भीतर पाए जाने वाले सूक्ष्मजीवों के डीएनए को स्कैन करके, वैज्ञानिक भविष्यवाणी कर सकते हैं कि वे जीव क्या रसायन बना सकते हैं, भले ही उन्होंने उस जीव को कभी देखा भी न हो। चुनौती हमेशा पैमाने और संदर्भ की रही है: इन जीन समूहों की संख्या बहुत अधिक है, और इस बारे में बहुत कम जानकारी है कि वे कहाँ से आते हैं या उनमें कौन सा जीव मौजूद है, जिससे यह जानना कठिन हो जाता है कि किन पर जांच करना सार्थक है।

शोधकर्ताओं ने अब एक डिजिटल लाइब्रेरी के एक विशाल अपडेट को जारी किया है जिसे इस छिपी हुई रासायनिक दुनिया को व्यवस्थित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह नया संस्करण, जिसे BGC एटलस v2 (BGC Atlas v2) कहा जाता है, ज्ञात जीन क्लस्टरों के संग्रह को आठ गुना से अधिक विस्तारित करता है, जिससे अनुमानित रासायनिक ब्लूप्रिंट की कुल संख्या 16 मिलियन से अधिक हो जाती है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि यह केवल इन क्लस्टरों को सूचीबद्ध नहीं करता है; यह लगभग हर एक के साथ एक विस्तृत पहचान पत्र संलग्न करता है। पहली बार, डेटाबेस वैज्ञानिकों को न केवल यह बताता है कि एक जीन क्लस्टर क्या बना सकता है, बल्कि यह भी बताता है कि उसे ले जाने वाला जीव किस निकटतम ज्ञात वंशावली से संबंधित है और वह किस प्रकार के वातावरण में रहता है। हालांकि ये असाइनमेंट निकटतम संदर्भ वंशों को दर्शाते हैं और क्षैतिज जीन स्थानांतरण (horizontal gene transfer) जैसे कारकों के कारण हमेशा सटीक जीव की पहचान नहीं कर पाते हैं, फिर भी यह बदलाव इस उपकरण को एक साधारण कैटलॉग से एक मानचित्र में बदल देता है, जिससे शोधकर्ता विशिष्ट रसायनों, उन्हें बनाने वाले जीवों और उनके निवास वाले पारिस्थितिकी तंत्रों के बीच संबंधों को नेविगेट कर सकते हैं।

शोधकर्ताओं ने इस नए एटलस का निर्माण सार्वजनिक स्रोतों से प्राप्त डीएनए डेटा एकत्र करके किया है, जिसमें गहरे समुद्र, वन मृदा और मानव-जुड़े वातावरण के नमूने शामिल हैं। उन्होंने इन्हें प्रयोगशालाओं में सफलतापूर्वक उगाए गए जीवों के आनुवंशिक डेटा के साथ संयोजित किया। शक्तिशाली कंप्यूटर प्रोग्रामों का उपयोग करके, उन्होंने 85,000 से अधिक पर्यावरणीय डीएनए नमूनों और 750,000 से अधिक व्यक्तिगत जीनोमों को स्कैन करके इन जीन क्लस्टरों की पहचान की। परिणाम एक ऐसा संग्रह है जो न केवल बड़ा है, बल्कि अधिक पूर्ण भी है। जहाँ पिछला संस्करण पर्यावरणीय नमूनों से प्राप्त खंडित टुकड़ों पर बहुत अधिक निर्भर था, वहीं यह नया संस्करण कई अधिक उच्च-गुणवत्ता वाले, पूर्ण जीनोमों को शामिल करता है। इसका अर्थ है कि शोधकर्ता अब एक रासायनिक मार्ग के बिखरे हुए पन्नों के बजाय उसके पूर्ण निर्देश मैनुअल को देख सकते हैं, जिससे सूक्ष्मजीव की उत्पादन क्षमता के बारे में अधिक सटीक भविष्यवाणियां संभव होती हैं।

इस कार्य की सबसे महत्वपूर्ण उपलब्धियों में से एक जीवन के वृक्ष की विशिष्ट शाखाओं से इन रासायनिक ब्लूप्रिंट को जोड़ने की क्षमता है। अतीत में, मिट्टी के नमूने में एक जीन क्लस्टर खोजने का अर्थ यह जानना था कि वह वहाँ है, लेकिन यह नहीं पता था कि वह एक सामान्य बैक्टीरिया का है या किसी दुर्लभ, अज्ञात प्रजाति का। इस नए संस्करण में, शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट टैक्सोनोमिक पहचान (taxonomic identity) सौंपने के लिए उन्नत मिलान तकनीकों का उपयोग किया। अब वे उच्च विश्वास के साथ कह सकते हैं कि एक विशिष्ट रासायनिक मार्ग एक विशेष वंश या यहाँ तक कि सूक्ष्मजीव की प्रजाति से संबंधित है, हालांकि वे नोट करते हैं कि ये असाइनमेंट निकटतम संदर्भ वंशों को दर्शाते हैं और हमेशा सटीक वाहक की पहचान नहीं कर पाते हैं। यह वैज्ञानिकों को नए प्रश्न पूछने की अनुमति देता है, जैसे कि क्या कुछ प्रकार के रसायन विशिष्ट जीवों के समूह के लिए अद्वितीय हैं या क्या वे सूक्ष्मजीव परिवार के पेड़ की विभिन्न शाखाओं में साझा किए जाते हैं।

इस विशाल डेटासेट के विश्लेषण ने इस बात के स्पष्ट पैटर्न प्रकट किए कि प्रकृति अपनी रासायनिक क्षमता को कैसे वितरित करती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि एक सूक्ष्मजीव किस प्रकार के वातावरण में रहता है, यह इस बात को दृढ़ता से प्रभावित करता है कि वह किस प्रकार के रसायन बनाता है। उदाहरण के लिए, जलीय वातावरण, जैसे महासागरों और झीलों में रहने वाले सूक्ष्मजीवों में टेरपेन्स (terpenes) बनाने के निर्देश रखने की बहुत अधिक संभावना होती है, जो सुगंध और दवाओं में उपयोग किए जाने वाले यौगिकों का एक बड़ा वर्ग है। इसके विपरीत, जानवरों के साथ जुड़े सूक्ष्मजीव, विशेष रूप से मानव पाचन तंत्र के भीतर, RiPPs नामक रसायनों के एक अलग वर्ग को उत्पन्न करने की बहुत अधिक संभावना रखते हैं। ये अंतर यादृच्छिक नहीं हैं; वे इन आवासों में जीवों की विशिष्ट उत्तरजीविता आवश्यकताओं को दर्शाते हैं। इसके अलावा, अध्ययन ने दिखाया कि ये पैटर्न विशिष्ट बैक्टीरिया समूहों को देखते समय भी सत्य होते हैं, जो यह सुझाव देता है कि जीव का पारिवारिक इतिहास और उसका वर्तमान वातावरण दोनों ही उसके रासायनिक टूलकिट को आकार देते हैं।

शायद सबसे आश्चर्यजनक खोज यह है कि पारंपरिक प्रयोगशाला विधियों से कितनी रासायनिक विविधता छिपी हुई है। जब शोधकर्ताओं ने नए एटलस में पाए गए जीन क्लस्टरों की तुलना उन बैक्टीरिया से की जिन्हें प्रयोगशाला में सफलतापूर्वक उगाया गया है, तो उन्होंने एक विशाल अंतर पाया। जंगली अवस्था में पाए गए अद्वितीय रासायनिक परिवारों में से 60% से अधिक प्रयोगशाला में उगाए गए जीवों में पूरी तरह से अनुपस्थित थे। इसका अर्थ है कि केवल उन सूक्ष्मजीवों पर भरोसा करके जिन्हें हम पेट्री डिश में उगा सकते हैं, वैज्ञानिक प्रकृति के विशाल बहुमत के रासायनिक नवाचारों को खो रहे थे। नया एटलस इस बात को रेखांकित करता है कि नई दवाओं के लिए सबसे आशाजनक संकेत संभवतः सूक्ष्मजीव जगत के अनकल्चरड (uncultured) बहुमत में छिपे हुए हैं, जो इन जीनोमिक दृष्टिकोणों के माध्यम से खोजे जाने की प्रतीक्षा कर रहे हैं।

शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि हालांकि डेटाबेस विशाल है, फिर भी यह केवल कुल क्षमता का एक अंश है। 16 मिलियन जीन क्लस्टरों के साथ भी, अद्वितीय रासायनिक परिवारों की संख्या सैकड़ों-हजारों में है, और इनमें से केवल एक बहुत छोटे हिस्से का प्रयोगात्मक रूप से परीक्षण किया गया है कि वे वास्तव में क्या करते हैं। यह उपकरण वैज्ञानिकों को यह प्राथमिकता देने में मदद करने के लिए डिज़ाइन किया गया है कि इनमें से कौन से लाखों संभावनाएं सबसे अधिक जांच के योग्य हैं। विशिष्ट रासायनिक विशेषताओं के आधार पर खोजने, जीव के प्रकार के आधार पर फ़िल्टर करने, या विशिष्ट वातावरण में क्लस्टरों को देखने की अनुमति देकर, यह एटलस अगली पीढ़ी की औषधि खोज के लिए एक मार्गदर्शक के रूप में कार्य करता है। यह कच्चे आनुवंशिक डेटा के भारी शोर को एक संरचित, नेविगेबल परिदृश्य में बदल देता है जहाँ सबसे आशाजनक सुरागों को खोजा जा सकता है।

यह कार्य यह दावा नहीं करता है कि इसने नई दवाएं खोजने की समस्या को हल कर दिया है, न ही यह सुझाव देता है कि डेटाबेस में प्रत्येक जीन क्लस्टर से नई दवा मिलेगी। इसके बजाय, यह सूक्ष्मजीव संबंधी रासायनिक विविधता की वर्तमान स्थिति का एक व्यापक और व्यवस्थित दृश्य प्रदान करता है। यह पुष्टि करता है कि प्राकृतिक दुनिया में एक असाधारण व्यापक रासायनिक क्षमता है जो काफी हद तक अनछुए रूप में है। जीन, जीव और पर्यावरण के बीच के बिंदुओं को जोड़कर, BGC एटलस v2 वैज्ञानिकों के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है जो सूक्ष्म जगत के रहस्यों को खोलने और मानव लाभ के लिए इसकी शक्ति का उपयोग करने की तलाश में हैं। डेटा का विशाल पैमाना इस बात की याद दिलाता है कि भले ही हमने महत्वपूर्ण प्रगति की है, लेकिन प्रकृति की पूर्ण रासायनिक लाइब्रेरी अभी भी पढ़ी जाने की प्रतीक्षा कर रही है।