A growth-inhibitory dUTPase from Mosigvirus AV110 disrupts cell division and host physiology in Escherichia coli

प्रत्येक जीवित कोशिका के भीतर, जीवन के निर्माण खंडों (building blocks) को लेकर एक निरंतर, शांत युद्ध चलता रहता है। अपने आनुवंशिक कोड की प्रतिलिपि बनाने के लिए, एक कोशिका को विशिष्ट रासायनिक भागों की निरंतर आपूर्ति की आवश्यकता होती है, जिसमें dUTP नामक एक भाग भी शामिल है। यदि यह भाग गलती से आनुवंशिक कोड में शामिल हो जाता है, तो यह ऐसी त्रुटियां पैदा करता है जो कोशिका के निर्देशों को तोड़ सकती हैं। इसे रोकने के लिए, कोशिकाएं एक विशेष उपकरण, एक एंजाइम का उपयोग करती हैं, जो नुकसान पहुँचाने से पहले अतिरिक्त dUTP को तोड़ने के लिए होता है। यह उपकरण मनुष्यों से लेकर बैक्टीरिया तक, जीवन के लगभग सभी रूपों में पाया जाता है। हालाँकि, बैक्टीरिया को संक्रमित करने वाले कुछ वायरस, जिन्हें फेज (phages) कहा जाता है, ने इस उपकरण के अपने संस्करणों को चुराया या आविष्कार किया है। ये वायरल उपकरण अक्सर दोहरे उद्देश्य के लिए होते हैं: वे वायरस को अपनी आनुवंशिक सामग्री बनाने में मदद करते हैं, लेकिन वे मेजबान कोशिका की आवश्यक भागों की आपूर्ति को भी बाधित करते हैं, प्रभावी रूप से वायरस की सेवा के लिए कोशिका की मशीनरी का अपहरण कर लेते हैं।

डेनमार्क और बेल्जियम की शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में 'मोसिगवायरस AV110' (Mosigvirus AV110) नामक एक फेज में पाए जाने वाले एक विशिष्ट वायरल उपकरण पर अपना ध्यान केंद्रित किया। यह वायरस 'एस्चेरिचिया कोली' (Escherichia coli) नामक बैक्टीरिया के एक प्रकार को संक्रमित करता है, जो विशेष रूप से कई सामान्य एंटीबायोटिक्स के प्रति प्रतिरोधी स्ट्रेन हैं। शोधकर्ता यह समझना चाहते थे कि जब यह वायरल उपकरण, जिसे Gp135 नामक प्रोटीन कहा जाता है, बैक्टीरिया की कोशिका के भीतर सक्रिय होता है, तो वास्तव में क्या होता है। वे विशेष रूप से इस बात में रुचि रखते थे कि इस एकल प्रोटीन की उपस्थिति बैक्टीरिया के आकार को कैसे बदलती है, उन्हें विभाजित होने से कैसे रोकती है, और अंततः उन्हें कैसे मार देती है। इस परस्पर क्रिया का अध्ययन करके, वैज्ञानिक यह जानना चाहते थे कि वायरस अपने मेजबानों को कैसे नियंत्रित करते हैं और इन उपकरणों की विशाल, छिपी हुई विविधता का मानचित्रण कैसे करते हैं।

शोधकर्ताओं ने कई अलग-अलग एंटीबायोटिक-प्रतिरोधी बैक्टीरिया के स्ट्रेन में Gp135 प्रोटीन के जीन को पेश करके शुरुआत की। फिर उन्होंने देखा कि क्या होता है जब बैक्टीरिया उस प्रोटीन का उत्पादन करना शुरू करते हैं। परिणाम तत्काल और नाटकीय थे। प्रोटीन की उपस्थिति में, बैक्टीरिया का विकास रुक गया। जब वैज्ञानिकों ने बैक्टीरियल कल्चर के घनत्व को मापा, तो उन्होंने देखा कि जीवित कोशिकाओं की संख्या काफी कम हो गई, जिसमें कुछ स्ट्रेन में चार क्रमों (orders of magnitude) तक की कमी देखी गई। इसका मतलब था कि प्रत्येक दस हजार बैक्टीरिया जो वहां होने चाहिए थे, उनमें से केवल कुछ ही बचे रहे। यह प्रभाव केवल एक स्ट्रेन तक सीमित नहीं था; यह परीक्षण किए गए बैक्टीरिया के एक विस्तृत समूह में काम कर गया, जिससे पता चलता है कि प्रोटीन एक मौलिक प्रक्रिया को लक्षित करता है जिसे ये सभी कोशिकाएं साझा करती हैं।

कोशिकाओं के भीतर हो रहे भौतिक परिवर्तनों को देखने के लिए, टीम ने समय के साथ बैक्टीरिया को देखने हेतु शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी (microscopes) का उपयोग किया। शुरुआत में, कोशिकाएं सामान्य दिख रही थीं। लेकिन जैसे-जैसे प्रोटीन का उत्पादन जारी रहा, बैक्टीरिया खिंचने लगे, और अपने सामान्य छोटे, छड़ जैसे आकार के बजाय लंबे, पतले फिलामेंट्स (filaments) बन गए। वे विभाजित होना बंद हो गए। सामान्यतः, एक बैक्टीरिया बढ़ता है और फिर दो नई कोशिकाएं बनाने के लिए आधे में विभाजित हो जाता है, लेकिन ये कोशिकाएं बिना विभाजित हुए लंबी होती गईं। शोधकर्ताओं ने आंतरिक संरचनाओं को देखने के लिए कोशिकाओं को रंजित (stain) भी किया। उन्होंने पाया कि कोशिकाओं के भीतर DNA का प्रतिकृति (replication) नहीं हो रहा था। स्वस्थ बैक्टीरिया में, आनुवंशिक सामग्री अपनी प्रतिलिपि बनाती है और विभाजन से पहले कोशिका के विपरीत सिरों पर जाती है। यहाँ, DNA का संकेत कमजोर था और वह फैला नहीं था, जो यह दर्शाता है कि प्रतिलिपि बनाने की प्रक्रिया रुक गई थी।

जैसे-जैसे घंटे बीतते गए, क्षति और गंभीर होती गई। शोधकर्ताओं ने खिंचे हुए सेल्स के अनुदैर्ध्य (length) के साथ अजीब, चमकीली पट्टियाँ (bands) दिखाईं। ये पट्टियाँ कोशिका भित्ति या झिल्ली का हिस्सा नहीं थीं; वे खाली स्थान, या रिक्तिकाएं (voids) थीं, जहाँ कोशिका का आंतरिक भाग दीवारों से दूर हट गया था। कोशिकाएं अनिवार्य रूप से खोखली हो रही थीं। अंततः, कोशिका झिल्लियाँ टूट गईं, और बैक्टीरिया मर गए। वैज्ञानिकों ने नोट किया कि मृत्यु का यह पैटर्न, जहाँ कोशिकाएं विभाजित होना बंद कर देती हैं, खिंच जाती हैं, और आंतरिक अंतराल विकसित करती हैं, वैसा ही है जैसा तब होता है जब बैक्टीरिया को DNA बनाने के लिए आवश्यक एक विशिष्ट पोषक तत्व से वंचित कर दिया जाता है। इस मामले में, वायरल प्रोटीन संभवतः उन निर्माण खंडों की कमी पैदा कर रहा था जिनकी बैक्टीरिया को अपने आनुवंशिक कोड की प्रतिलिपि बनाने के लिए आवश्यकता थी, जिससे कोशिका की आंतरिक संरचना का पतन हो गया।

टीम ने फिर प्रोटीन को करीब से देखा ताकि यह समझा जा सके कि यह कैसे काम करता है। उन्होंने पाया कि Gp135 प्रोटीन एक अन्य प्रसिद्ध वायरस, T4 फेज में पाए जाने वाले एक प्रसिद्ध उपकरण के आकार और संरचना में बहुत समान है। यह T4 उपकरण न केवल dUTP, बल्कि एक संबंधित अणु dCTP को भी तोड़ने की अपनी क्षमता के लिए जाना जाता है। शोधकर्ताओं के विश्लेषण ने सुझाव दिया कि Gp135 प्रोटीन उसी तरह कार्य करता है। इन आवश्यक निर्माण खंडों को तोड़कर, प्रोटीन कोशिका की आपूर्ति को समाप्त कर देता है, जिससे बैक्टीरिया को अपना DNA कॉपी करने से रोका जाता है। नए DNA के बिना, कोशिका विभाजित नहीं हो सकती। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि यह प्रोटीन वायरस को अपनी स्वयं की आनुवंशिक सामग्री के विशेष, संशोधित संस्करण बनाने में मदद करता है, जो बैक्टीरिया की प्राकृतिक रक्षा प्रणालियों के खिलाफ एक ढाल के रूप में कार्य करते हैं।

अंत में, टीम ने यह देखने के लिए एक व्यापक दृष्टिकोण अपनाया कि इस प्रकार का वायरल उपकरण कितना सामान्य है। उन्होंने सैकड़ों अलग-अलग वायरसों से आनुवंशिक अनुक्रम (genetic sequences) एकत्र किए और यह देखने के लिए एक वंशावली (family tree) बनाई कि वे एक-दूसरे से कैसे संबंधित हैं। उन्होंने खोजा कि ये उपकरण सभी एक जैसे नहीं हैं। जबकि अधिकांश ज्ञात उपकरण तीन-भाग वाली संरचना बनाते हैं, मोसिगवायरस और इसी तरह के वायरसों में पाए जाने वाले उपकरण दो-भाग वाली संरचना बनाते हैं। इससे भी अधिक दिलचस्प बात यह है कि उन्होंने पाया कि ये दो-भाग वाले उपकरण दो अलग-अलग समूहों में आते हैं जो एक-दूसरे से निकटता से संबंधित नहीं हैं, जो यह सुझाव देता है कि वे अलग-अलग विकसित हुए हैं। एक चौथा, रहस्यमय समूह भी है जिसके उपकरणों का वैज्ञानिकों ने अभी तक अध्ययन नहीं किया है, जो बहुत विविध प्रतीत होते हैं और जिनके कार्य पूरी तरह से भिन्न हो सकते हैं।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि Gp135 प्रोटीन वायरल शस्त्रागार में एक शक्तिशाली हथियार है। आनुवंशिक निर्माण खंडों की आपूर्ति को बाधित करके, यह मेजबान कोशिका की प्रजनन करने की क्षमता को रोकता है, जिससे कोशिका मृत्यु होती है और वायरस को कब्जा करने की अनुमति मिलती है। यह शोध वायरसों द्वारा अपने मेजबानों को हेरफेर करने के जटिल और विविध तरीकों को उजागर करता है। यह यह भी प्रकट करता है कि इन उपकरणों के विभिन्न प्रकारों के बारे में अभी बहुत कुछ सीखना बाकी है, जिनके पूरे समूह समझने की प्रतीक्षा कर रहे हैं। निष्कर्ष बताते हैं कि कोशिका की रसायन विज्ञान का अपहरण करने की क्षमता वायरसों के लिए एक व्यापक और सफल रणनीति है, जो इन विविध और विकसित होते आणविक उपकरणों के एक विविध सेट पर निर्भर करती है।