Manganese scavenging is required for virulence of the cytosolic pathogen Listeria monocytogenes
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि साइटोसोलिक रोगजनक *लिस्टेरिया मोनोसाइटोजेन्स* मैंगनीज को जुटाने के लिए उच्च-आत्मीयता वाले मैंगनीज ट्रांसपोर्टर्स (MntH और MntABC) पर निर्भर करता है, जो ऑक्सीडेटिव तनाव, इंट्रासेल्युलर प्रतिकृति और समग्र विषाक्तता के प्रति इसकी प्रतिरोधक क्षमता के लिए एक आवश्यक प्रक्रिया है।
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प्रत्येक जीवित प्राणी, सबसे छोटे जीवाणु (बैक्टीरिया) से लेकर एक मनुष्य तक, जीवित रहने के लिए कुछ विशिष्ट धातुओं की निरंतर आपूर्ति की आवश्यकता रखता है। जिस प्रकार हमारे शरीर को रक्त में ऑक्सीजन ले जाने के लिए आयरन (लोहे) की आवश्यकता होती है, उसी प्रकार बैक्टीरिया को उन एंजाइमों को शक्ति देने के लिए मैंगनीज की आवश्यकता होती है जो उनकी कोशिकाओं को चालू रखते हैं और उन्हें ऑक्सीजन के हानिकारक प्रभावों से बचाते हैं। लेकिन प्रकृति में, ये धातुएँ स्वतंत्र रूप से उपलब्ध नहीं होती हैं। जब कोई बैक्टीरिया किसी मेजबान (होस्ट) पर आक्रमण करता है, तो मेजबान की प्रतिरक्षा प्रणाली इन आवश्यक पोषक तत्वों को सक्रिय रूप से छिपाकर मुकाबला करती है, जिससे भुखमरी की एक स्थिति पैदा हो जाती है जिसे 'पोषण संबंधी प्रतिरक्षा' (न्यूट्रिशनल इम्युनिटी) कहा जाता है। यह एक जैविक खींचतान है जहाँ मेजबान आक्रमणकारी को भूखा मारने की कोशिश करता है, और आक्रमणकारी को जो थोड़ा बहुत बचा है उसे जुटाने के लिए चतुर तरीके विकसित करने पड़ते हैं।
ऐसा ही एक आक्रमणकारी लिस्टेरिया मोनोसाइटोजेन्स (Listeria monocytogenes) है, जो एक खाद्यजनित बैक्टीरिया है और गंभीर बीमारी का कारण बनता है। अन्य बैक्टीरिया के विपरीत, जो मेजबान कोशिका के भीतर एक सुरक्षात्मक बुलबुले के अंदर छिपे रहते हैं, लिस्टेरिया एक साइटोसोलिक रोगजनक (साइटोसोलिक पैथोजन) है, जिसका अर्थ है कि यह उस बुलबुले से बाहर निकल जाता है और कोशिका के मुख्य तरल, यानी साइटोसोल में स्वतंत्र रूप से रहता है। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि यह वातावरण प्रतिकूल है और बैक्टीरिया के जीवित रहने के लिए कठिन है, लेकिन इस छिपे हुए स्थान (निश) में मैंगनीज की कमी की विशिष्ट भूमिका एक रहस्य बनी हुई थी। जबकि यह स्पष्ट था कि अन्य बैक्टीरिया जीवित रहने के लिए मैंगनीज जुटाने की आवश्यकता रखते हैं, यह ज्ञात नहीं था कि क्या इस साइटोसोलिक रोगजनक को भी इसी चुनौती का सामना करना पड़ता है या इसकी उत्तरजीविता के लिए कोई अलग रणनीति है।
शोधकर्ताओं ने एक ऐसा लिस्टेरिया बनाकर इस पहेली को सुलझाने का प्रयास किया जो मैंगनीज को पकड़ नहीं सकता था। उन्होंने दो विशिष्ट प्रणालियों की पहचान की जिनका उपयोग बैक्टीरिया इस धातु को आयात करने के लिए करता है, जो कोशिका की सतह पर विशेष पंपों की तरह कार्य करती हैं। एक प्रणाली, जिसे MntH कहा जाता है, अम्लीय स्थितियों में सबसे अच्छा काम करती है, जबकि दूसरी, MntABC, अलग तरह से संचालित होती है। यह देखने के लिए कि क्या ये प्रणालियाँ वास्तव में आवश्यक थीं, वैज्ञानिकों ने एक ऐसा लिस्टेरिया स्ट्रेन तैयार किया जिसमें दोनों पंपों को अक्षम (डिसेबल) कर दिया गया था। एक मानक, पोषक तत्वों से भरपूर प्रयोगशाला डिश में, वह दोहरे उत्परिवर्तित (डबल-म्यूटेंट) बैक्टीरिया सामान्य रूप से विकसित हुआ, जिससे पता चला कि वह तैर रहे किसी भी सूक्ष्म धातु के सहारे जीवित रह सकता है। हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने भोजन से अतिरिक्त मैंगनीज हटा दिया, तो वह उत्परिवर्तित बैक्टीरिया पूरी तरह से बढ़ना बंद कर गया। यह स्पष्ट हो गया कि इन दो विशिष्ट पंपों के बिना, मैंगनीज की कमी होने पर बैक्टीरिया जीवित नहीं रह सकता।
टीम ने यह देखने के लिए कोशिकाओं के भीतर झाँका कि क्या हो रहा था। उन्होंने पाया कि सामान्य बैक्टीरिया की तुलना में उत्परिवर्तित बैक्टीरिया में मैंगनीज का स्तर काफी कम था। धातु की इस कमी ने उत्परिवर्तित बैक्टीरिया को ऑक्सीडेटिव स्ट्रेस (ऑक्सीडेटिव स्ट्रेस) के प्रति अत्यधिक संवेदनशील बना दिया, जो रिएक्टिव ऑक्सीजन स्पीशीज के कारण होने वाला एक प्रकार का कोशिकीय नुकसान है। लैब में, जब शोधकर्ताओं ने बैक्टीरिया को इस तनाव की नकल करने वाले एक रसायन के संपर्क में रखा, तो उत्परिवर्तित बैक्टीरिया संघर्ष करता दिखा, विशेष रूप से तब जब मैंगनीज कम था। इसने पुष्टि की कि बैक्टीरिया इन पंपों पर न केवल विकास के लिए, बल्कि अपने वातावरण द्वारा किए जाने वाले रासायनिक युद्ध से खुद को बचाने के लिए भी निर्भर करता है।
हालाँकि, सबसे महत्वपूर्ण परीक्षण जीवित कोशिकाओं के भीतर किए गए। जब शोधकर्ताओं ने मैक्रोफेज नामक प्रतिरक्षा कोशिकाओं को उत्परिवर्तित बैक्टीरिया से संक्रमित किया, तो परिणाम चौंकाने वाले थे। सामान्य बैक्टीरिया कोशिकाओं के भीतर तेजी से बढ़ते हैं, लेकिन उत्परिवर्तित बैक्टीरिया, मैंगनीज जुटाने में असमर्थ होने के कारण, प्रजनन करने में विफल रहे। कोशिका में प्रवेश करने के बाद वे कुछ समय के लिए बढ़े लेकिन फिर पूरी तरह रुक गए। वैज्ञानिकों ने कोशिका संस्कृति (सेल कल्चर) में अतिरिक्त मैंगनीज जोड़कर इसे ठीक करने की कोशिश की, और उत्परिवर्तित बैक्टीरिया तुरंत फिर से बढ़ने लगे, जिससे यह सिद्ध हुआ कि दोष वास्तव में धातु की कमी के कारण था। इसके अलावा, जब उत्परिवर्तित बैक्टीरिया का परीक्षण एक ऐसे मॉडल में किया गया जो कोशिका से कोशिका में उनके प्रसार की नकल करता है, तो वे संक्रमण के विशिष्ट प्लाक (प्लेक) बनाने में पूरी तरह असमर्थ रहे, जो सामान्य बैक्टीरिया बनाते हैं।
अंत में, शोधकर्ताओं ने वास्तविक दुनिया की घातकता (विरुलेंस) को देखने के लिए जीवित चूहों में बैक्टीरिया का परीक्षण किया। उन्होंने चूहों में उत्परिवर्तित स्ट्रेन को इंजेक्ट किया और जो हुआ उसे देखा। सामान्य बैक्टीरिया से संक्रमित चूहे महत्वपूर्ण वजन खो देते हैं और उनके लीवर तथा प्लीहा (स्प्लीन) में बैक्टीरिया का उच्च भार होता है। इसके विपरीत, उत्परिवर्तित बैक्टीरिया से संक्रमित चूहे स्वस्थ रहे, उनका वजन कम नहीं हुआ, और उनके अंगों में बैक्टीरिया लगभग न के बराबर थे। उत्परिवर्तित स्ट्रेन इतना कमजोर था कि वह संक्रमण स्थापित ही नहीं कर सका।
ये निष्कर्ष प्रकट करते हैं कि साइटोसोल, मेजबान कोशिका के भीतर का खुला स्थान जहाँ लिस्टेरिया रहता है, मैंगनीज की भारी कमी का स्थान है। बैक्टीरिया निष्क्रिय ग्रहण (पैसिव अपटेक) या अन्य बैकअप प्रणालियों पर भरोसा नहीं कर सकता; जीवित रहने के लिए उसे अपने दो समर्पित ट्रांसपोर्टर्स का उपयोग करके मैंगनीज को सक्रिय और आक्रामक रूप से जुटाना ही होगा। इन उपकरणों के बिना, बैक्टीरिया मेजबान की पोषण संबंधी रक्षाओं के विरुद्ध निहत्था है और बीमारी का कारण नहीं बन सकता। यह अध्ययन स्थापित करता है कि इस विशिष्ट रोगजनक के लिए, मैंगनीज चुराने की क्षमता न केवल सहायक है, बल्कि उसके जीवित रहने और लोगों को बीमार करने की क्षमता के लिए अत्यंत आवश्यक है।
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