Multilayer analysis reveals extensive hidden population complexity in a dairy starter microbiome comprising few species

खाद्य विज्ञान की दुनिया में, कुछ सबसे महत्वपूर्ण कार्य बैक्टीरिया के अदृश्य क्षेत्र में होता है। गौडा या चेडर जैसे पारंपरिक पनीर बनाने के लिए, निर्माता स्टार्टर कल्चर पर निर्भर करते हैं: सूक्ष्मजीवों के ऐसे मिश्रण जो दूध को ठोस पनीर में बदल देते हैं और इसका विशिष्ट स्वाद पैदा करते हैं। एक सदी से अधिक समय से, इन कल्चर को जीवित रखा गया है और एक बैच से दूसरे बैच में स्थानांतरित किया गया है, जिसे "अनडिफाइंड" (अपरिभाषित) स्टार्टर का उपयोग करने के रूप में जाना जाता है क्योंकि इसके भीतर बैक्टीरिया का सटीक मिश्रण पूरी तरह से ज्ञात या नियंत्रित नहीं होता है। वैज्ञानिक लंबे समय से संदेह कर रहे थे कि ये मिश्रण दिखने में जितने सरल लगते हैं, उससे कहीं अधिक जटिल हैं, जिनमें विभिन्न प्रकार के बैक्टीरिया के स्ट्रेन छिपे हुए हैं जो मिलकर पनीर को सुरक्षित और स्वादिष्ट बनाए रखते हैं। इस छिपी हुई विविधता को समझना महत्वपूर्ण है क्योंकि यही निर्धारित करता है कि पनीर बैक्टीरिया को संक्रमित करने वाले वायरस, जिन्हें फेज (phages) कहा जाता है, के हमले का मुकाबला कितनी अच्छी तरह करेगा, जो उत्पादन के पूरे बैच को बर्बाद कर सकते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने 'तिस्ट्रप' (Tistrup) नामक एक विशिष्ट डेनिश स्टार्टर कल्चर के भीतर इस छिपी हुई दुनिया का मानचित्र बनाने के लिए काम शुरू किया, जिसका उपयोग सौ वर्षों से भी अधिक समय से किया जा रहा है। वे जानते थे कि लैब डिश में बैक्टीरिया को उगाकर उन्हें गिनना पर्याप्त नहीं होगा, क्योंकि कई स्ट्रेन छूट सकते हैं या अनदेखे रह सकते हैं। इसके बजाय, उन्होंने दो शक्तिशाली तरीकों को मिलाया: लैब में व्यक्तिगत बैक्टीरिया के स्ट्रेन का एक बड़ा संग्रह उगाना और बिना कुछ उगाए सीधे कल्चर से पूरे मिश्रण के आनुवंशिक कोड को पढ़ना। लैब में जो उन्होंने पाया और कच्चे मिश्रण में जो उन्होंने पाया, उसकी तुलना करके, उन्होंने खोजा कि यह समुदाय अकेले किसी भी विधि द्वारा प्रकट किए जाने वाले स्तर से कहीं अधिक जटिल था। अध्ययन से पता चलता है कि बैक्टीरिया के एक समूह में, जो सतह पर सरल दिखता है, आनुवंशिक विविधता की एक गहरी परत होती है जो समुदाय को जीवित रहने और फलने-फूलने में मदद करती है।

शोधकर्ताओं ने टिस्ट्रप कल्चर को देखना शुरू किया, जो बैक्टीरिया की केवल कुछ प्रजातियों द्वारा प्रधान है, मुख्य रूप से लैक्टोकोकस क्रीमोरिस (Lactococcus cremoris) और लैक्टोकोकस लैटिस (Lactococcus lactis)। चूंकि प्रजातियां बहुत कम हैं, इसलिए उन्हें उम्मीद थी कि व्यक्तिगत बैक्टीरिया के बीच आनुवंशिक अंतर कम होंगे। हालांकि, जब उन्होंने लैब में उगाए गए 111 विशिष्ट बैक्टीरिया स्ट्रेन के डीएनए का अनुक्रम (sequence) किया और पूरे मिश्रण के आनुवंशिक डेटा के साथ उनकी तुलना की, तो उन्होंने छिपी हुई जटिलता की एक आश्चर्यजनक मात्रा पाई। दोनों विधियों ने न केवल समान बैक्टीरिया पर सहमति जताई; बल्कि उन्होंने आबादी के अलग-अलग हिस्सों को भी खोज निकाला। लैब में उगाए गए स्ट्रेन कल्चर में मौजूद विविधता का केवल एक अंश थे, जबकि पूरे मिश्रण के प्रत्यक्ष आनुवंशिक पठन ने कई ऐसी वंशावलियों (lineages) का खुलासा किया जिन्हें लैब विधियों ने पूरी तरह से मिस कर दिया था।

सबसे चौंकाने वाली खोज बैक्टीरिया की कोशिका भित्ति (cell walls) से संबंधित थी। एक बैक्टीरिया की बाहरी सतह चीनी की एक कोटिंग से ढकी होती है जिसे सेल वॉल पॉलीसैकराइड (cell wall polysaccharide) कहा जाता है, जो एक विशिष्ट 'चाबी के छेद' (keyhole) की तरह कार्य करती है जिसका उपयोग वायरस कोशिका में प्रवेश करने और संक्रमित करने के लिए करते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि कल्चर में इस शुगर कोटिंग का सबसे सामान्य प्रकार, जो आबादी का लगभग तीस प्रतिशत हिस्सा बनाता था, लैब में उगाए गए बैक्टीरिया में पूरी तरह से अनुपस्थित था। इसका मतलब है कि कल्चर में सबसे प्रचुर मात्रा में मौजूद बैक्टीरिया वे थे जिन्हें वैज्ञानिक उगाने में विफल रहे, जिससे समुदाय का एक बड़ा हिस्सा अदृश्य हो गया। लैब में उगाए गए बैक्टीरिया में मुख्य रूप से इस शुगर कोटिंग के अलग, कम सामान्य संस्करण थे, जो यह सुझाव देता है कि लैब में उन्हें उगाने के लिए उपयोग की जाने वाली स्थितियों ने एक विशिष्ट, कम प्रभावी समूह का पक्ष लिया।

कोशिका भित्तियों के अलावा, शोधकर्ताओं ने अन्य आनुवंशिक विशेषताओं की भी जांच की जो बैक्टीरिया को वायरस के खिलाफ रक्षा करने में मदद करती हैं। उन्होंने बैक्टीरिया के डीएनए के भीतर छिपे हुए वायरस, जिन्हें प्रोफेज (prophages) कहा जाता है, और विभिन्न रक्षा प्रणालियों की जांच की जिनका उपयोग बैक्टीरिया हमलों का सामना करने के लिए करते हैं। उन्होंने पाया कि ये रक्षा उपकरण अनगिनत संयोजनों में आपस में मिले हुए थे। यहाँ तक कि वे बैक्टीरिया जो अपने मूल आनुवंशिक कोड में लगभग समान दिखते थे, उनमें भी रक्षा प्रणालियों और छिपे हुए वायरसों के अलग-अलग सेट थे। यह विविधता समुदाय के लिए एक ढाल के रूपạch कार्य करती है; यदि कोई वायरस बैक्टीरिया के एक प्रकार पर हमला करता है, तो अन्य बैक्टीरिया, जिनके पास अलग रक्षा प्रणाली है, जीवित रह सकते हैं और पनीर बनाने की प्रक्रिया को जारी रख सकते हैं। अध्ययन ने दिखाया कि यह रक्षात्मक विविधता उस स्तर से बहुत अधिक थी जिसे केवल लैब-उगाए गए स्ट्रेन को देखकर देखा जा सकता था।

टीम ने मोबाइल जेनेटिक एलिमेंट्स (mobile genetic elements) की भी जांच की, जो डीएनए के छोटे लूप हैं जिन्हें प्लास्मिड (plasmids) कहा जाता है जिन्हें बैक्टीरिया आपस में साझा कर सकते हैं। ये प्लास्मिड अक्सर उन जीनों को ले जाते हैं जो पनीर बनाने के लिए आवश्यक होते हैं, जैसे कि दूध की चीनी को पचाने या प्रोटीन को तोड़ने के लिए आवश्यक जीन। शोधकर्ताओं ने पाया कि ये प्लास्मिड भी अत्यधिक विविध थे और उन्हें विभिन्न स्ट्रेन द्वारा अलग-अलग संयोजनों में ले जाया जाता था। एक विशेष तकनीक का उपयोग करके जो डीएनए पर रासायनिक निशानों को पढ़ती है, वे कई इन प्लास्मिड्स को उन विशिष्ट बैक्टीरिया से जोड़ने में सक्षम रहे जो उन्हें ले जाते हैं, भले ही वे बैक्टीरिया लैब में न उगाए गए हों। इसने उन्हें यह देखने की अनुमति दी कि एक ही प्लास्मिड विभिन्न प्रजातियों में पाया जा सकता है, जो उनके बीच घूमता है और पूरे समुदाय में महत्वपूर्ण गुणों को फैलाता है।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि इस डेयरी स्टार्टर की जटिलता केवल कई अलग-अलग प्रजातियों के होने के बारे में नहीं है, बल्कि केवल कुछ प्रजातियों के भीतर मौजूद विभिन्न आनुवंशिक संयोजनों की विशाल संख्या के बारे में है। शोधकर्ताओं ने पाया कि कोई भी एकल विधि, चाहे वह लैब में बैक्टीरिया उगाना हो या पूरे डीएनए को सीधे पढ़ना हो, पूरी तस्वीर को कैद नहीं कर सकी। लैब विधियों ने सबसे प्रचुर स्ट्रेन को मिस कर दिया, जबकि प्रत्यक्ष डीएनए पठन हमेशा यह नहीं बता सका कि किस विशिष्ट स्ट्रेन में कौन सा जीन है। केवल दोनों दृष्टिकोणों को मिलाकर ही वे देख सके कि विविधता का वास्तविक विस्तार क्या है। कोशिका भित्तियों, रक्षा प्रणालियों और मोबाइल डीएनए से जुड़ी यह छिपी हुई विविधता, इस समुदाय को वायरल हमलों का विरोध करने और पनीर की गुणवत्ता बनाए रखने के लिए एक मजबूत क्षमता प्रदान करती है। निष्कर्ष बताते हैं कि इन पारंपरिक स्टार्टर्स का लचीलापन एक गहरी, संयोजनात्मक विविधता (combinatorial diversity) से आता है जो तब तक काफी हद तक छिपी रहती है जब तक कि वैज्ञानिक समुदाय को कई दृष्टिकोणों से न देखें।