Hiding in plain sight: rare Bacillus cereus group species are present among unassembled metagenomic samples in public databases

हमारे पैरों के नीचे की मिट्टी सूक्ष्म जीवन का एक हलचल भरा महानगर है, जो बैक्टीरिया से भरा हुआ है जो पारिस्थितिक तंत्र को आकार देते हैं, कृषि को संचालित करते हैं, और कभी-कभी बीमारी का कारण बनते हैं। इन अदृश्य निवासियों के बीच बैसिलस सेरियस (Bacillus cereus) समूह के रूप में जाना जाने वाला बैक्टीरिया का एक जटिल परिवार है। जबकि इस परिवार के कुछ सदस्य खाद्य विषाक्तता या घातक बीमारी एंथ्रैक्स का कारण बनने के लिए कुख्यात हैं, अन्य हानिरहित या यहाँ तक कि लाभकारी भी हैं, जिनका उपयोग फसलों की रक्षा करने या उपयोगी रसायनों का उत्पादन करने के लिए उद्योग में किया जाता है। दशकों से, वैज्ञानिकों ने इस समूह के सबसे सामान्य और खतरनाक सदस्यों के जीनोम—यानी पूर्ण आनुवंशिक ब्लूप्रिंट—का मानचित्रण किया है। हालाँकि, इस बैक्टीरिया परिवार का एक महत्वपूर्ण हिस्सा अभी भी एक रहस्य बना हुआ है। इस समूह के भीतर कुछ दुर्लभ प्रजातियाँ हैं जिन्हें एक दशक से अधिक समय पहले खोजा गया था लेकिन वे फिर कभी जंगली अवस्था में नहीं पाई गईं। अब तक, इन दुर्लभ प्रजातियों के लिए उपलब्ध एकमात्र आनुवंशिक जानकारी उनमें से प्रत्येक के एक एकल, अलग स्ट्रेन (strain) से आती थी, जिससे वैज्ञानिकों के पास उनकी जीव विज्ञान, वे कहाँ रहते हैं, और क्या वे मानव स्वास्थ्य के लिए जोखिम पैदा कर सकते हैं, इसकी एक खंडित और अपूर्ण तस्वीर थी।

समस्या अनिवार्य रूप से यह नहीं थी कि ये दुर्लभ बैक्टीरिया पर्यावरण में मौजूद नहीं थे, बल्कि यह था कि वे साधारण तरीकों द्वारा अनदेखे होते हुए भी आँखों के सामने छिपे हुए थे। बैक्टीरिया का अध्ययन करने के लिए, वैज्ञानिक आमतौर पर उन्हें लैब डिश में उगाते हैं, जिसे आइसोलेशन (isolation) कहा जाता है। यदि कोई बैक्टीरिया दुर्लभ है या उसे उगाना कठिन है, तो वह अक्सर प्रयोगों की दरारों से फिसल जाता है। हालाँकि, वैज्ञानिक जगत ने हाल ही में एक अलग दृष्टिकोण की ओर रुख किया है: शॉटगन मेटाजीनोमिक्स (shotgun metagenomics)। एक एकल जीव को उगाने के बजाय, शोधकर्ता एक साथ मिट्टी या पानी के नमूने में पाए जाने वाले सभी डीएनए का अनुक्रम (sequence) कर सकते हैं। यह एक साथ रहने वाले हजारों विभिन्न जीवों के आनुवंशिक अंशों का एक विशाल, अव्यवस्थित ढेर बनाता है। हालांकि यह शक्तिशाली है, लेकिन यह विधि गणनात्मक रूप से भारी है, और सार्वजनिक अभिलेखागारों में मौजूद इनमें से कई विशाल डेटासेट को कभी भी पूर्ण जीनोम में पूरी तरह से असेंबल नहीं किया गया है। वे वहां बिना असेंबल हुए, डिकोड होने की प्रतीक्षा में बैठे हैं।

स्वीडन के शोधकर्ताओं की एक टीम यह देखने के लिए आगे बढ़ी कि क्या ये दुर्लभ, मायावी बैक्टीरिया इन विशाल, असेंबल न किए गए डिजिटल अभिलेखागारों में छिपे हुए हैं। उन्होंने परिकल्पना की कि भले ही हाल ही में किसी ने इन दुर्लभ प्रजातियों को लैब में सफलतापूर्वक नहीं उगाया हो, लेकिन उनके आनुवंशिक संकेत पहले से ही सार्वजनिक डेटाबेस में संग्रहीत मिट्टी और पानी के हजारों नमूनों में बिखरे हो सकते हैं। उन्हें खोजने के लिए, टीम ने सबसे पहले बैसिलस सेरियस समूह की चार सबसे दुर्लभ ज्ञात प्रजातियों के लिए विशिष्ट आनुवंशिक मार्कर—विशिष्ट डीएनए अनुक्रम जो एक फिंगरप्रिंट की तरह कार्य करते हैं—की पहचान की। इन प्रजातियों में बैसिलस मैनलीपोनेसिस (Bacillus manliponensis), बैसिलस बिंगमेयोंगेंसिस (Bacillus bingmayongensis), बैसिलस गेमोकेन्सिस (Bacillus gaemokensis) और एक प्रजाति जिसे अस्थायी रूप से बैसिलस क्लारस (Bacillus clarus) नाम दिया गया था, शामिल थे, जिनमें से प्रत्येक वर्षों तक केवल एक ज्ञात जीनोम द्वारा प्रतिनिधित्व किया गया था। शोधकर्ताओं ने इन विशिष्ट फिंगरप्रिंट्स को खोजने के लिए सार्वजनिक सीक्वेंस रीड आर्काइव (Sequence Read Archive) में मौजूद विशाल, असेंबल न किए गए डीएनए डेटा को स्कैन करने के लिए एक विशेष खोज उपकरण का उपयोग किया।

खोज सफल रही। टीम ने सात मेटाजीनोमिक नमूनों की पहचान की जिनमें इन दुर्लभ बैक्टीरिया के आनुवंशिक मार्कर मौजूद थे। ये नमूने विविध स्थानों से आए थे, जिनमें इज़राइल में एक एवोकैडो के बाग की मिट्टी, चीन में मिलेट (बाजरा) के पौधों का जड़ क्षेत्र, और यहाँ तक कि वाणिज्यिक पालक का एक नमूना भी शामिल था जिसे सुरक्षा अध्ययन के लिए दूसरे प्रकार के बैक्टीरिया के साथ जानबूझकर दूषित किया गया था। इन विशिष्ट नमूनों के डीएनए अंशों को पुनर्गठित करके, शोधकर्ता बिना कभी भी उन्हें पेट्री डिश में उगाए, इन दुर्लभ बैक्टीरिया के उच्च-गुणवत्ता वाले, लगभग पूर्ण जीनोम को पुनर्गठित करने में सक्षम रहे। उन्होंने इज़रायली मिट्टी से बैसिलस मैनलीपोनेसिस का एक पूर्ण जीनोम और पालक के नमूने से बैसिलस बिंगमेयोंगेंसिस का एक आंशिक जीनोम प्राप्त किया। यह एक महत्वपूर्ण सफलता थी, क्योंकि इसने इन प्रजातियों के लिए एक दशक से अधिक समय में पहला नया आनुवंशिक डेटा प्रदान किया, जो उस एकल मूल स्ट्रेन से आगे निकल गया जिसने लंबे समय तक उन्हें परिभाषित किया था।

इन नए जीनोमों के हाथ में होने के साथ, शोधकर्ता अंततः इन दुर्लभ प्रजातियों की आपस में और हाल ही में अनुक्रमित किए गए कुछ अन्य स्ट्रेन के साथ तुलना कर सके। उन्होंने पाया कि ये बैक्टीरिया एक समान क्लोन नहीं थे; वे महत्वपूर्ण आनुवंशिक विविधता प्रदर्शित करते थे। उदाहरण के लिए, इज़रायली बागान में पाया गया बैसिलस मैनलीपोनेसिस मूल रूप से दक्षिण कोरिया में खोजे गए स्ट्रेन से आनुवंशिक रूप से भिन्न था, फिर भी वे इतने करीब थे कि पुष्टि की जा सके कि वे एक ही प्रजाति हैं। इसी तरह, पालक के नमूने में पाया गया बैसिलस बिंगमेयोंगेंसिस चीन में मूंगफली की मिट्टी में पाए गए स्ट्रेन से निकटता से संबंधित था, लेकिन ट्यूनीशिया में पाए गए अन्य स्ट्रेन से भिन्न था। इससे पता चला कि ये "दुर्लभ" प्रजातियाँ केवल एक ही अस्पष्ट स्थान तक सीमित नहीं थीं, बल्कि वे पहले की तुलना में अधिक व्यापक और भौगोलिक रूप से विविध थीं।

इस अध्ययन ने इन बैक्टीरिया के संभावित खतरों और क्षमताओं पर भी प्रकाश डाला। शोधकर्ताओं ने इन नए जीनोमों में उन जीनों की जांच की जो टॉक्सिन या अन्य हानिकारक पदार्थों का उत्पादन करते हैं। उन्होंने पाया कि जबकि इन दुर्लभ प्रजातियों में एंथ्रैक्स या उल्टी करने वाले विशिष्ट टॉक्सिन के लिए जीन नहीं थे, लेकिन उनमें अन्य टॉक्सिन के लिए जीन मौजूद थे जो दस्त का कारण बन सकते हैं। दिलचस्प बात यह है कि इन टॉक्सिन जीनों की उपस्थिति एक ही प्रजाति के विभिन्न स्ट्रेन के बीच भिन्न थी। कुछ स्ट्रेन में स्फिंगोमाइलिनस सी (sphingomyelinase C) नामक टॉक्सिन के लिए जीन था, जबकि अन्य में नहीं। यह भिन्नता एक महत्वपूर्ण बिंदु को उजागर करती है: आप यह मान नहीं सकते कि एक ही बैक्टीरिया प्रजाति के सभी सदस्य एक जैसा व्यवहार करते हैं। लैब में पाया गया एक स्ट्रेन हानिरहित हो सकता है, जबकि उसी प्रजाति का एक अलग स्ट्रेन जो खेत में पाया जाता है, बीमारी का कारण बनने वाले आनुवंशिक उपकरणों से लैस हो सकता है।

इसके अलावा, टीम ने इन बैक्टीरिया के भीतर मोबाइल जेनेटिक एलिमेंट्स (mobile genetic elements) की जांच की, जैसे कि प्लास्मिड और वायरस जो जीवों के बीच कूद सकते हैं। उन्होंने पाया कि दुर्लभ बैक्टीरिया में अद्वितीय वायरल अनुक्रम और, कुछ मामलों में, प्लास्मिड थे जो बैक्टीरिया के बीच जीन को स्थानांतरित कर सकते हैं। बैसिलस बिंगमेयोंगेंसिस के एक स्ट्रेन में एक ऐसा प्लास्मिड पाया गया जिसमें एक जीन क्लस्टर था जो एक नवीन एंटीबायोटिक जैसी पदार्थ का उत्पादन कर सकता है। यह सुझाव देता है कि ये दुर्लभ प्रजातियां केवल जैविक जिज्ञासाएं नहीं हैं, बल्कि मिट्टी में होने वाले रासायनिक युद्ध और सहयोग में सक्रिय भागीदार हैं, जो नई दवाओं या कृषि उपकरणों की कुंजी भी हो सकती हैं।

इस अध्ययन के निष्कर्ष इस धारणा को चुनौती देते हैं कि ये दुर्लभ प्रजातियाँ वास्तव में दुर्लभ हैं या उनके मूल खोज स्थलों तक सीमित हैं। इसके बजाय, वे कृषि वातावरण और खाद्य उत्पादन प्रणालियों में मौजूद प्रतीत होते हैं, जैसे कि बाग और वाणिज्यिक उत्पाद, जहाँ वे मनुष्यों के साथ संपर्क कर सकते हैं। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि खाद्य नमूने में एक बैक्टीरिया का पता चलना अपने आप में खतरे का संकेत नहीं है; कई कारक निर्धारित करते हैं कि क्या कोई बैक्टीरिया बीमारी का कारण बनता है। हालाँकि, सार्वजनिक डेटाबेस में इन जीवों को खोजने की क्षमता निगरानी के लिए एक नया द्वार खोलती है। यह सुझाव देता है कि बैसिलस सेरियस समूह की वास्तविक विविधता हमारे वर्तमान लैब-उगाए गए नमूनों द्वारा दर्शाई गई विविधता से कहीं अधिक बड़ी है।

डीएनए डेटा के विशाल, असेंबल न किए गए अभिलेखागारों को खजाने के रूप में मानकर, शोधकर्ताओं ने सूक्ष्म जगत का अध्ययन करने का एक शक्तिशाली नया तरीका प्रदर्शित किया। उन्होंने दिखाया कि दुर्लभ प्रजातियाँ आवश्यक रूप से दुनिया से गायब नहीं हैं, बल्कि वे हमारे पारंपरिक तरीकों से देखने के तरीके से गायब हैं। यह दृष्टिकोण वैज्ञानिकों को बैक्टीरिया को लैब में उगाने की सीमाओं को दरकिनार करने और जटिल वातावरण में जीवित जीवों की प्रत्यक्ष आनुवंशिक क्षमता को देखने की अनुमति देता है। जैसे-जैसे अधिक डेटा उत्पन्न होगा और इन डिजिटल अभिलेखागारों का अधिक अन्वेषण किया जाएगा, हमारे आसपास के सूक्ष्म जगत की हमारी समझ बढ़ती जाएगी, जो इस बैक्टीरिया परिवार के इन दुर्लभ, छिपे हुए सदस्यों की अधिक पूर्ण और सटीक तस्वीर पेश करेगी।