In silico subtractive genomics and reverse vaccinology approach reveal outer membrane proteins OMP47 and LptD as dual-purpose drug and vaccine targets in Pasteurella multocida Pm70

बैक्टीरिया (जीवाणु) एककोशिकीय जीव हैं जो पृथ्वी पर लगभग हर वातावरण में जीवित रहने के लिए विकसित हुए हैं, जिसमें मानव शरीर के भीतर भी शामिल है। जबकि कई हानिरहित या यहाँ तक कि सहायक होते हैं, कुछ खतरनाक रोगजनक (पैथोजन्स) होते हैं जो गंभीर बीमारी का कारण बनते हैं। जब ये हानिकारक बैक्टीरिया हमें संक्रमित करते हैं, तो डॉक्टर आमतौर पर उनका इलाज एंटीबायोटिक्स से करते हैं, जो बैक्टीरिया को मारने या उन्हें बढ़ने से रोकने के लिए डिज़ाइन किए गए ड्रग्स हैं। हालाँकि, बैक्टीरिया चतुर और अनुकूलनशील होते हैं; समय के साथ, कई लोगों ने इन दवाओं के प्रति प्रतिरोध (रेसिस्टेंस) विकसित कर लिया है, जिससे मानक उपचार अप्रभावी हो गए हैं। यह बढ़ती प्रतिरोधकता आधुनिक चिकित्सा में जीवाणु संक्रमणों से लड़ने के नए तरीके खोजने को एक अत्यंत आवश्यक चुनौती बना देती है। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिक नई दवाएं और टीके डिजाइन करने के लिए तेजी से कंप्यूटर की ओर मुड़ रहे हैं। प्रयोगशाला में हजारों रसायनों का परीक्षण करने के बजाय, वे पूरे बैक्टीरिया के जेनेटिक कोड को स्कैन करने के लिए शक्तिशाली सॉफ्टवेयर का उपयोग करते हैं, ताकि उन विशिष्ट कमजोरियों को खोजा जा सके जिन्हें मानव मेजबान को नुकसान पहुँचाए बिना लक्षित किया जा सके। यह दृष्टिकोण शोधकर्ताओं को प्रयोगशाला में कदम रखने से पहले ही नई दवाओं और टीकों के लिए सबसे आशाजनक उम्मीदवारों की पहचान करने की अनुमति देता है।

Pasteurella multocida नामक एक बैक्टीरिया खतरनाक रोगजनकों का एक प्रमुख उदाहरण है जो इलाज करने में कठिन होता जा रहा है। यह कीटाणु कई जानवरों, विशेष रूप से बिल्लियों और कुत्तों के मुंह में रहता है, और काटने या खरोंच के माध्यम से मनुष्यों में फैल सकता है। हालांकि यह अक्सर मामूली त्वचा संक्रमण का कारण बनता है, लेकिन यह गंभीर निमोनिया, रक्त संक्रमण और अन्य जीवन के लिए खतरा पैदा करने वाली स्थितियों का कारण बन सकता है, विशेष रूप से कमजोर प्रतिरक्षा प्रणाली वाले लोगों में। समस्या यह है कि यह बैक्टीरिया कई सामान्य एंटीबायोटिक्स के प्रति प्रतिरोध विकसित कर रहा है, और वर्तमान में इसे रोकने के लिए मनुष्यों के लिए कोई स्वीकृत टीका उपलब्ध नहीं है। इस बढ़ते खतरे का सामना करते हुए, शोधकर्ताओं के एक दल ने 'सबट्रैक्टिव जीनोमिक्स' नामक विधि का उपयोग करके बैक्टीरिया को रोकने के नए तरीके खोजने का प्रयास किया। यह प्रक्रिया उन्मूलन (एलिमिनेशन) के खेल की तरह है: वैज्ञानिक बैक्टीरिया द्वारा बनाए जाने वाले प्रत्येक प्रोटीन की पूरी सूची से शुरू करते हैं और व्यवस्थित रूप से उन सभी को हटा देते हैं जो मनुष्यों में पाए जाने वाले प्रोटीन के समान दिखते हैं। लक्ष्य उन प्रोटीनों को खोजना है जो बैक्टीरिया के जीवित रहने के लिए आवश्यक हैं लेकिन केवल उस कीटाणु के लिए अद्वितीय हैं, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि उन्हें लक्षित करने वाली दवा इंसान को नुकसान पहुँचाए बिना बैक्टीरिया को मार देगी।

Pasteurella multocida के हजारों प्रोटीनों में से, शोधकर्ताओं ने इस सूची को घटाकर केवल 129 प्रोटीन कर दिया जो बैक्टीरिया के जीवित रहने के लिए महत्वपूर्ण हैं और जिनका मानव समकक्ष नहीं है। फिर उन्होंने गहराई से जांच की कि इन 129 प्रोटीनों में से कौन से प्रोटीन बैक्टीरिया के बाहरी आवरण (आउटर शेल) पर स्थित हैं, जिससे वे दवाओं और प्रतिरक्षा प्रणाली के लिए सुलभ हो सकें। इस कठोर छंटनी प्रक्रिया ने क्षेत्र को दो विशिष्ट प्रोटीनों तक सीमित कर दिया: एक 47-किलोडालटन का बाहरी झिल्ली प्रोटीन, जिसे OMP47 के रूप में जाना जाता है, और एक प्रोटीन जिसे LptD कहा जाता है, जो बैक्टीरिया की बाहरी दीवार के निर्माता के रूप में कार्य करता है। ये दो प्रोटीन इसलिए महत्वपूर्ण थे क्योंकि न केवल वे बैक्टीरिया के अस्तित्व के लिए महत्वपूर्ण हैं, बल्कि वे सतह पर स्थित हैं जहाँ उन तक आसानी से पहुँचा जा सकता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि OMP47 बैक्टीरिया को सतहों से चिपकने और उनकी झिल्ली के पार सामग्री ले जाने में मदद करता है, जबकि LptD कोशिका की बाहरी परत को असेंबल करने के लिए जिम्मेदार है, जो बैक्टीरिया की संरचनात्मक अखंडता के लिए एक महत्वपूर्ण प्रक्रिया है। चूंकि ये प्रोटीन बैक्टीरिया के जीवन के लिए इतने महत्वपूर्ण हैं और बाहर की तरफ उजागर हैं, इसलिए वे नई दवाओं और टीकों दोनों के लिए आदर्श लक्ष्य प्रतिनिधित्व करते हैं।

यह देखने के लिए कि क्या ये प्रोटीन टीके का आधार भी बन सकते हैं, टीम ने कंप्यूटर मॉडल का उपयोग करके यह अनुमान लगाया कि मानव प्रतिरक्षा प्रणाली उनके प्रति कैसी प्रतिक्रिया देगी। उन्होंने दोनों प्रोटीनों को छोटे टुकड़ों में तोड़ दिया जिन्हें 'एपिटोप्स' कहा जाता है, जो वे विशिष्ट भाग हैं जिन्हें प्रतिरक्षा प्रणाली बाहरी (विदेशी) के रूप में पहचानती है। शोधकर्ताओं ने सबसे आशाजनक टुकड़ों का चयन किया—वे जो एक मजबूत प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया को ट्रिगर करने की संभावना रखते थे लेकिन मनुष्यों के लिए सुरक्षित थे, जिसका अर्थ है कि वे जहरीले नहीं थे या एलर्जी जैसी प्रतिक्रिया का कारण नहीं बनेंगे। फिर उन्होंने इन चयनित टुकड़ों को एक विशेष सहायक अणु, जिसे 'एडजुवेंट' कहा जाता है, के साथ जोड़कर एक एकल, कस्टम-डिज़ाइन किए गए वैक्सीन उम्मीदवार (वैक्सीन कैंडिडेट) के रूप में तैयार किया। यह नया टीका, जिसे 'मल्टी-एपिटोप वैक्सीन' के रूप में जाना जाता है, एक सिंथेटिक संरचना है जो पूरी तरह से बैक्टीरिया के प्रोटीनों के सबसे प्रभावी हिस्सों से बना है, जिसे प्रतिरक्षा प्रणाली को वास्तविक बैक्टीरिया को पहचानने और उससे लड़ने के लिए प्रशिक्षित करने हेतु डिज़ाइन किया गया है।

शोधकर्ताओं ने इस आभासी (वर्चुअल) टीके का परीक्षण उन्नत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके किया कि यह कैसे व्यवहार करेगा। उन्होंने वैक्सीन के त्रि-आयामी आकार का मॉडल बनाया और इसकी स्थिरता की जांच की, यह पुष्टि की कि यह अच्छी तरह से बना हुआ है और इसमें प्रयोगशाला में उत्पादित करने के लिए सही रासायनिक गुण हैं। उन्होंने यह भी सिम्युलेट किया कि वैक्सीन मानव प्रतिरक्षा प्रणाली के साथ कैसे इंटरैक्ट करेगी, विशेष रूप से यह देखने के लिए कि यह एक प्रमुख रिसेप्टर से कैसे बंधती है जिसे TLR4 कहा जाता है, जो शरीर की रक्षा प्रणालियों के लिए अलार्म बेल के रूप में कार्य करता है। सिमुलेशन ने इस रिसेप्टर और वैक्सीन के बीच बहुत मजबूत और स्थिर संबंध दिखाया, जिससे पता चलता है कि यह प्रभावी रूप से प्रतिरक्षा प्रणाली को जगा देगा। इसके अलावा, कंप्यूटर मॉडल ने भविष्यवाणी की कि वैक्सीन प्राप्त करने के बाद, शरीर एक मजबूत रक्षा तंत्र विकसित करेगा, जिसमें मेमोरी सेल्स (स्मृति कोशिकाओं) का निर्माण शामिल है जो बैक्टीरिया को याद रखेंगे और भविष्य में सामना होने पर उससे लड़ेंगे। टीम ने यह भी पुष्टि की कि इस वैक्सीन के जेनेटिक कोड को सामान्य प्रयोगशाला बैक्टीरिया में आसानी से अनुकूलित किया जा सकता है, जिससे इसे बड़ी मात्रा में बनाना संभव है।

हालांकि ये निष्कर्ष उत्साहजनक हैं, शोधकर्ता सावधानीपूर्वक यह नोट करते हैं कि यह कार्य वर्तमान में एक परिष्कृत कंप्यूटर सिमुलेशन है। अध्ययन ने सफलतापूर्वक दो प्रोटीनों की पहचान की है जो दवा विकास के लिए उत्कृष्ट उम्मीदवार हैं और एक ऐसा टीका डिजाइन किया है जो कागजों पर एकदम सही दिखता है, लेकिन इन परिणामों का अभी तक जीवित कोशिकाओं या जानवरों में परीक्षण नहीं किया गया है। अगला कदम इस टीके को वास्तविक प्रयोगशाला में बनाना और यह देखने के लिए परीक्षण करना होगा कि क्या यह कंप्यूटर द्वारा की गई भविष्यवाणियों के अनुरूप काम करता है। यदि भविष्य के प्रयोग इन परिणामों की पुष्टि करते हैं, तो पहचाने गए दो प्रोटीन मौजूदा प्रतिरोध को दरकिनार करने वाली नई एंटीबायोटिक दवाओं का मार्ग प्रशस्त कर सकते हैं, और डिज़ाइन किया गया टीका इस व्यापक और खतरनाक संक्रमण के खिलाफ पहला मानवीय सुरक्षा कवच प्रदान कर सकता है। तब तक, यह कार्य एक ठोस आधार के रूप में कार्य करता है, जो यह सिद्ध करता है कि कंप्यूटर विज्ञान मानव स्वास्थ्य को जीवाणु खतरों से बचाने के नए तरीकों की खोज में प्रभावी ढंग से मार्गदर्शन कर सकता है।