Synthetic genetic circuits that count developmental cues in plant roots

पौधे स्थिर वस्तुएं नहीं हैं; वे गतिशील खोजकर्ता हैं जो पानी और पोषक तत्वों की तलाश में अपने भूमिगत नेटवर्क को लगातार नया आकार देते हैं। ऐसा करने के लिए, वे जड़ें उगाते हैं जो बार-बार शाखाओं में विभाजित होती हैं, जिससे प्राथमिक, द्वितीयक और तृतीयक जड़ों की एक जटिल प्रणाली बनती है। लंबे समय तक, वैज्ञानिक समझते थे कि ये शाखाएं कैसे बनती हैं, लेकिन उन्हें एक निराशाजनक सीमा का सामना करना पड़ा: एक बार जब कोई शाखा विकसित हो जाती थी, तो वह किसी भी अन्य शाखा की तरह ही दिखती और व्यवहार करती थी। यह बताने का कोई तरीका नहीं था कि पहली पीढ़ी की शाखा दूसरी पीढ़ी की शाखा से कैसे अलग है, और उन्हें अलग निर्देश देने का भी कोई तरीका नहीं था। यदि कोई शोधकर्ता यह बदलना चाहता था कि पौधे की जड़ें कैसे व्यवहार करती हैं, तो उसे पूरे सिस्टम को एक साथ बदलना पड़ता था, क्योंकि वह किसी एक विशिष्ट शाखा को लक्षित करने में असमर्थ था। सटीकता की इस कमी ने यह समझना कठिन बना दिया कि क्या विभिन्न शाखाओं के अलग-अलग उद्देश्य होते हैं या अधिक कुशल जड़ प्रणालियों के साथ पौधों को इंजीनियर किया जा सकता है।

स्टैनफोर्ड यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने अब एक ऐसा उपकरण बनाया है जो पौधे की जड़ों को एक प्रकार की स्मृति (मेमोरी) देकर इस समस्या को हल करता है। उन्होंने एक सिंथेटिक जेनेटिक सर्किट बनाया है जो एक काउंटर की तरह काम करता है, जो यह ट्रैक करता है कि जड़ कितनी बार शाखित हुई है। एक जैविक स्विच का उपयोग करके, जो हर बार जब एक नई जड़ की शाखा उगना शुरू होती है तो डीएनए के एक हिस्से को पलट (flip) देता है, वैज्ञानिक यह सुनिश्चित कर सकते हैं कि पौधे के जीन अपनी शाखा के इतिहास के आधार पर अलग तरह से व्यवहार करें। मॉडल पौधे एराबिडोप्सिस थैलियाना (Arabidopsis thaliana) में, यह प्रणाली प्राथमिक जड़ को एक रंग का रहने देती है, द्वितीयक शाखाओं को नीला चमकाती है, और तृतीयक शाखाओं को पीला चमकाती है। यह उपलब्धि यह प्रदर्शित करती है कि शारीरिक रूप से समान जड़ों के बीच अंतर करना और उन्हें व्यक्तिगत रूप से नियंत्रित करना संभव है, जो अनुकूलित-डिज़ाइन की गई जड़ संरचनाओं वाले पौधों के निर्माण का मार्ग खोलता है।

शोधकर्ताओं ने सबसे पहले एक मौलिक चुनौती का समाधान किया: यह पता लगाना कि एक नई जड़ की शाखा ठीक उसी क्षण कब बनना शुरू होती है। प्रकृति में, एक जड़ की शाखा तब शुरू होती है जब मुख्य जड़ के सिरे पर कोशिकाओं का एक विशिष्ट समूह विभाजित होने और बढ़ने का संकेत प्राप्त करता है। टीम को एक ऐसे जेनेटिक ट्रिगर की आवश्यकता थी जो केवल विकास के इस संक्षिप्त समय के दौरान सक्रिय हो सके। उन्होंने एक विशिष्ट प्रमोटर का चयन किया, जो डीएनए का एक क्षेत्र है जो जीन के लिए एक लाइट स्विच की तरह कार्य करता है, और केवल इन विकसित होती जड़ के सिरों में चालू होता है। उन्होंने इस स्विच को एक बड़े प्रोटीन से जोड़ा जिसे रिकॉम्बिनेज (recombinase) कहा जाता है। यह प्रोटीन आणविक कैंची और ग्लू गन की तरह कार्य करता है; यह डीएनए के एक विशिष्ट खंड को काटता है और उसे पलट देता है। एक बार पलटने के बाद, डीएनए स्थायी रूप से उसी स्थिति में रहता है, भले ही कोशिका विभाजित और विकसित हो जाए। यह घटना का एक स्थायी रिकॉर्ड बनाता है।

इस अवधारणा का परीक्षण करने के लिए, वैज्ञानिकों ने पहले एक सरल स्विच बनाया जो डीएनए को पलटता और एक हरे रंग के फ्लोरोसेंट प्रोटीन को चालू करता। जब उन्होंने इसे पौधों में पेश किया, तो हरा प्रकाश केवल नई शाखाओं में दिखाई दिया, जिससे पुष्टि हुई कि स्विच ने सटीक रूप से काम किया जब जड़ विकसित होना शुरू हुई। हालांकि, एक साधारण ऑन-ऑफ स्विच पर्याप्त नहीं था। शोधकर्ताओं को एक ऐसी प्रणाली की आवश्यकता थी जो घटनाओं के क्रम को रिकॉर्ड कर सके, जैसे कि पहली शाखा को दूसरी से और दूसरी को तीसरी से अलग पहचान सके। उन्होंने एक अधिक जटिल सर्किट डिजाइन किया जो चरणों में काम करता था। जब पहली बार जड़-शाखित होने का संकेत मिला, तो पहले रिकॉम्बिनेज ने डीएनए को पलट दिया, जिससे नीला फ्लोरोसेंट प्रोटीन चालू हुआ और सर्किट के अगले भाग को तैयार किया गया। दूसरी बार जब संकेत मिला, तो एक अलग रिकॉम्बिनेज ने डीएनए के दूसरे खंड को पलटा, जिससे पीला फ्लोरोसेंट प्रोटीन चालू हुआ।

प्रारंभिक डिज़ाइन में एक खामी थी। चूंकि जड़ की शाखा शुरू करने का संकेत लगभग दो दिनों तक रहता है, इसलिए पहला संकेत कभी-कभी सर्किट के पहले और दूसरे दोनों चरणों को एक ही समय में सक्रिय करने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली होता था। इसका मतलब था कि कुछ द्वितीयक जड़ें, जिन्हें नीला चमकना चाहिए था, वे पीली भी चमक रही थीं, जिससे गिनती भ्रमित हो गई। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि जड़ के विकास का समय उनके जेनेटिक सर्किट की गति के साथ तालमेल में नहीं था। इसे ठीक करने के लिए, उन्होंने एक विलंब तंत्र (delay mechanism) पेश किया। उन्होंने एक तीसरे प्रोटीन को जोड़ा जो एक गेटकीपर की तरह कार्य करता है। यह गेटकीपर केवल तभी खुलता है जब पहली शाखा पूरी तरह से परिपक्व हो जाती है और प्रारंभिक विकास क्षेत्र से दूर चली जाती है। यह सुनिश्चित करता है कि गिनती की दूसरी प्रक्रिया तब तक शुरू नहीं हो सकती जब तक कि एक पूरी तरह से नई, अलग शाखा बनना शुरू न हो जाए।

इस बेहतर डिज़ाइन के साथ, परिणाम स्पष्ट थे। शोधकर्ताओं ने नए सर्किट वाले पौधों को उगाया और सूक्ष्मदर्शी के नीचे उनकी जड़ों का अवलोकन किया। प्राथमिक जड़ में, जिसमें अभी तक शाखा नहीं निकली थी, कोई फ्लोरोसेंस नहीं था। द्वितीयक जड़ों में, जो एक बार शाखित हुई थीं, कोशिकाएं नीली चमक रही थीं। तृतीयक जड़ों में, जो दो बार शाखित हुई थीं, कोशिकाएं नीली और पीली दोनों रंगों में चमक रही थीं। टीम ने व्यक्तिगत जड़ के सिरों से डीएनए निकालकर और उसके जेनेटिक कोड को अनुक्रमित (sequencing) करके इन दृश्य परिणामों की पुष्टि की। डीएनए विश्लेषण ने पुष्टि की कि जेनेटिक फ्लिप बिल्कुल अनुमानित तरीके से हुए थे: पहला फ्लिप द्वितीयक जड़ों में मौजूद था, और दूसरा फ्लिप तृतीयक जड़ों में मौजूद था। सर्किट के सबसे बेहतर संस्करण में, लगभग सभी तृतीयक जड़ों ने सही पीला संकेत दिखाया, जबकि द्वितीयक जड़ों में त्रुटि दर काफी कम हो गई।

यह कार्य पौधों के विकास को समझने का एक शक्तिशाली नया तरीका प्रदान करता है। इससे पहले, वैज्ञानिक आसानी से यह परीक्षण नहीं कर सकते थे कि क्या एक द्वितीयक जड़ का कार्य एक तृतीयक जड़ से भिन्न है। अब, वे इस काउंटिंग सिस्टम का उपयोग करके केवल एक विशेष प्रकार की शाखा में विशिष्ट जीनों को चालू या बंद कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, वे केवल तृतीयक शाखाओं से 'रूट हेयर्स' (जड़ के बाल) को हटा सकते हैं ताकि यह देखा जा सके कि क्या वे शाखाएं अन्य शाखाओं की तुलना में पानी को अलग तरह से सोखने के लिए जिम्मेदार हैं। शाखाओं के बीच उनके स्वरूप के बजाय उनके इतिहास के आधार पर अंतर करने की क्षमता, उस स्तर का नियंत्रण प्रदान करती है जो पहले असंभव था। शोधकर्ताओं का सुझाव है कि इसी तर्क को जीव विज्ञान की अन्य दोहराव वाली प्रक्रियाओं पर लागू किया जा सकता है, जैसे कि कोशिकाएं कैसे विभाजित होती हैं या जानवर जटिल संरचनाएं कैसे विकसित करते हैं। एक दोहराव वाले संकेत को एक अद्वितीय जेनेटिक कोड में बदलकर, यह प्रणाली पौधे के विकास के इतिहास को एक पठनीय निर्देश पुस्तिका में बदल देती है, जिससे वैज्ञानिक पूर्ण सटीकता के साथ पौधे के विकास के भविष्य को फिर से लिख सकते हैं।