Mitochondrial inheritance as an important parameter for the rational design of synthetic yeast polyploids
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि माइटोकॉन्ड्रियल वंशागति (mitochondrial inheritance), सिंथेटिक यीस्ट एलोपॉलीप्लॉइड्स (synthetic yeast allopolyploids) में फिटनेस का एक महत्वपूर्ण, पर्यावरण-निर्भर निर्धारक है, जिसके लिए औद्योगिक रूप से प्रासंगिक उपभेदों (strains) के तर्कसंगत डिजाइन हेतु परमाणु जीनोम संरचना के साथ इसे शामिल करना आवश्यक है।
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ब्रीविंग (brewing) और बेकिंग की सूक्ष्म दुनिया में, यीस्ट नामक एककोशिकीय कवक, किण्वन (fermentation) का अदृश्य इंजन है। सदियों से, मनुष्य अनाज को बीयर, अंगूर को वाइन और आटे को ब्रेड में बदलने के लिए इस जीव के विशिष्ट उपभेदों (strains) पर निर्भर रहे हैं। लेकिन यीस्ट की प्राकृतिक दुनिया उन कुछ उपभेदों की तुलना में कहीं अधिक विविध है जिनका हम अपनी रसोई में उपयोग करते हैं। वैज्ञानिकों ने खोजा है कि यीस्ट कभी-कभी दो अलग-अलग प्रजातियों के पूर्ण आनुवंशिक ब्लूप्रिंट को एक एकल कोशिका में मिला सकता है, जिससे एक हाइब्रिड (संकर) बनता है जिसमें सामान्य से दोगुने गुणसूत्र (chromosomes) होते हैं। यह प्रक्रिया, जिसे एलोपॉलीप्लोइडीकरण (allopolyploidization) कहा जाता है, तुरंत एक नया जीव बना सकती है जिसमें दोनों माता-पिता के गुणों का मिश्रण होता है, जो कभी-कभी अकेले किसी भी माता-पिता की तुलना में अधिक मजबूत या अनुकूलन योग्य होता है। हालांकि यह स्वाभाविक रूप से होता है, वैज्ञानिकों ने बेहतर औद्योगिक उपभेदों को डिजाइन करने के लिए इसे प्रयोगशाला में करना सीख लिया है। हालांकि, लंबे समय तक, शोधकर्ताओं ने लगभग पूरी तरह से कोशिका के केंद्रक (nucleus) के भीतर मौजूद मुख्य आनुवंशिक निर्देश पुस्तिका पर ध्यान केंद्रित किया, और कोशिका के पावर प्लांट्स, माइटोकॉन्ड्रिया में रहने वाले निर्देशों के दूसरे, छोटे सेट की काफी हद तक अनदेखी की। ये पावर प्लांट इस बात के लिए आवश्यक हैं कि कोशिका ऊर्जा कैसे उत्पन्न करती है, और उनका आनुवंशिक मेकअप मुख्य जीनोम की तरह ही विविध हो सकता है।
शोधकर्ताओं की एक टीम यह देखने के लिए काम में लगी कि क्या यह अनदेखा किया गया माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए इन नए हाइब्रिड यीस्ट के प्रदर्शन में एक छिपी हुई लेकिन महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। उन्होंने 168 विभिन्न सिंथेटिक यीस्ट उपभेदों की एक विशाल लाइब्रेरी बनाई, जिसमें आठ अलग-अलग जंगली यीस्ट प्रजातियों के परमाणु डीएनए (nuclear DNA) को हर संभव संयोजन में मिलाया गया। पावर प्लांट्स के विशिष्ट प्रभाव का परीक्षण करने के लिए, उन्होंने सावधानीपूर्वक इस बात को नियंत्रित किया कि प्रत्येक हाइब्रिड को किस प्रजाति का माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए विरासत में मिला है, यह सुनिश्चित करते हुए कि प्रत्येक परमाणु संयोजन के लिए, उनके पास विभिन्न माइटोकॉन्ड्रियल मूलों वाले संस्करण हों। इसके बाद उन्होंने इन 168 उपभेदों को परीक्षणों की एक कठोर श्रृंखला से गुजारा, जिसमें औद्योगिक उत्पादन की चुनौतियों की नकल करने वाले 31 अलग-अलग वातावरणों में उन्हें उजागर किया गया। इन चुनौतियों में अत्यधिक तापमान, अल्कोहल का उच्च स्तर, अम्लीय या क्षारीय स्थितियां और विभिन्न पोषक तत्वों की कमी शामिल थी। लक्ष्य यह मापना था कि प्रत्येक स्ट्रेन इन तनावों के तहत कितनी अच्छी तरह बढ़ सकता है, जिससे उनकी फिटनेस और कारखानों में उपयोग की क्षमता की एक स्पष्ट तस्वीर मिल सके।
परिणामों ने उत्तरजीविता और अनुकूलन की एक जटिल तस्वीर पेश की। शोधकर्ताओं ने पाया कि नए हाइब्रिड स्ट्रेन वास्तव में "हाइब्रिड विगर" (hybrid vigor) प्रदर्शित करने में सक्षम थे, जो एक ऐसी घटना है जहाँ संतान अपने माता-पिता से बेहतर प्रदर्शन करती है। लगभग आधे परीक्षण स्थितियों में, हाइब्रिड अपने दोनों माता-पिता के ठीक बीच के आकार तक बढ़े, जिसे मिड-पैरेंट हेटरोसिस (mid-parent heterosis) कहा जाता है। लगभग एक चौथाई स्थितियों में, कुछ हाइब्रिड अपने सबसे अच्छे माता-पिता से भी बेहतर बढ़े, जो वास्तविक हाइब्रिड विगर दिखाते हैं। एक विशेष रूप से सफल संयोजन में दो विशिष्ट जंगली प्रजातियों, सैकरोमाइसेस आर्बोकोला (Saccharomyces arboricola) और सैकरोमाइसेस मिकेटई (Saccharomyces mikatae) को मिलाना शामिल था, जिसने परीक्षण किए गए परिदृश्यों के लगभग आधे में मजबूत हाइब्रिड पैदा किए। हालांकि, अध्ययन ने एक महत्वपूर्ण बाधा भी उजागर की: ये नव-निर्मित चार-सेट गुणसूत्र वाली कोशिकाएं अत्यधिक अस्थिर थीं। एक समृद्ध वातावरण में बढ़ने के कुछ घंटों के भीतर, उनमें से कई टूटने लगे, अपना अतिरिक्त आनुवंशिक पदार्थ छोड़ने लगे और एक सरल अवस्था में वापस जाने लगे, एक ऐसी प्रक्रिया जो ऐसी लग रही थी जैसे कोशिकाएं अपने मूल रूप में लौटने की कोशिश कर रही हों। यह अस्थिरता बताती है कि हालांकि इन शक्तिशाली हाइब्रिड्स को बनाना संभव है, लेकिन उन्हें दीर्घकालिक औद्योगिक उपयोग के लिए स्थिर रखने के लिए और अधिक काम की आवश्यकता होगी ताकि उन्हें बिखरने से रोका जा सके।
शायद सबसे आश्चर्यजनक खोज माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए की निर्णायक भूमिका थी। जबकि वातावरण स्वयं एक स्ट्रेन के विकास को निर्धारित करने वाला सबसे बड़ा कारक था, लेकिन उस स्ट्रेन को विरासत में मिले विशिष्ट प्रकार के माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए का महत्व पहले की तुलना में कहीं अधिक था। शोधकर्ताओं ने पाया कि माइटोकॉन्ड्रियल मूल ने परीक्षण की गई 42 प्रतिशत स्थितियों में हाइब्रिड के विकास को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित किया। यह प्रभाव एकसमान नहीं था; यह पूरी तरह से वातावरण पर निर्भर था। उदाहरण के लिए, जब यीस्ट को अल्कोहल के उच्च स्तर का सामना करना पड़ा, तो जिस स्ट्रेन ने एक विशिष्ट प्रजाति से माइटोकॉन्ड्रिया विरासत में पाया, वह सबसे अच्छा विकसित हुआ, जबकि दूसरे प्रजाति के माइटोकॉन्ड्रिया वाले स्ट्रेन संघर्ष करते रहे। इसी तरह, ऑक्सीडेटिव तनाव या ठंडे तापमान का सामना करने पर, विभिन्न माइटोकॉन्ड्रियल प्रकारों ने स्पष्ट लाभ प्रदान किया। अध्ययन ने दिखाया कि आप केवल दो परमाणु जीनोम को मिला नहीं सकते और एक अनुमानित परिणाम की उम्मीद नहीं कर सकते; माइटोकॉन्ड्रियल साथी का चुनाव एक स्विच की तरह कार्य करता है जो परिस्थितियों के आधार पर हाइब्रिड के प्रदर्शन को बढ़ा या घटा सकता है।
ये निष्कर्ष सुझाव देते हैं कि बेहतर औद्योगिक यीस्ट स्ट्रेन डिजाइन करने का भविष्य केवल मुख्य आनुवंशिक कोड से परे देखना चाहिए। शोधकर्ता तर्क देते हैं कि माइटोकॉन्ड्रियल वंश एक प्रमुख, अक्सर अनदेखा किया जाने वाला पैरामीटर है जिसे परमाणु जीनोम के साथ विचार में लिया जाना चाहिए। माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए का व्यवस्थित नियंत्रण करके, वैज्ञानिक अब विशिष्ट कार्यों, जैसे कम तापमान पर बीयर बनाने या उच्च गर्मी में वाइन बनाने के लिए अपने सिंथेटिक हाइब्रिड के प्रदर्शन को बारीकी से ट्यून (fine-tune) कर सकते हैं। अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि उसने यीस्ट इंजीनियरिंग की सभी समस्याओं को हल कर दिया है, विशेष रूप से स्ट्रेन्स की अस्थिरता के मुद्दे को लेकर, लेकिन यह एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है। यह प्रदर्शित करता है कि श्रेष्ठ औद्योगिक जीवों को बनाने का मार्ग कोशिका के मुख्य जीनोम, उसके पावर प्लांट्स और उन वातावरणों के बीच के जटिल नृत्य को समझने में निहित है जिनमें उन्हें काम करना है।
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