Reversible fixation of microbial cells for targeted genomics
यह शोध पत्र डिथियोबिस(सक्सिनिमिडिल प्रोपियोनेट) (DSP) को एक प्रतिवर्ती फिक्सेटिव के रूप में प्रस्तुत करता है जो पारंपरिक विधियों की सीमाओं को दूर करते हुए उच्च गुणवत्ता वाले फ्लोरोसेंस इमेजिंग और जटिल सूक्ष्मजीव समुदायों से लक्षित जीनोमिक्स के लिए बाद के डीएनए निष्कर्षण, दोनों को सक्षम बनाता है।
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सूक्ष्म जगत के छिपे हुए जीवन को समझने के लिए, वैज्ञानिकों को अक्सर एक भीड़भाड़ वाले समुदाय के भीतर एक विशिष्ट जीवाणु (बैक्टीरिया) की तस्वीर लेने की आवश्यकता होती है। एक विशाल, हलचल भरे शहर की कल्पना करें जहाँ दूर से देखने पर हर निवासी लगभग एक जैसा दिखता है। किसी विशेष परिवार का अध्ययन करने के लिए, एक शोधकर्ता को पहले उन्हें खोजना होगा, और फिर उन्हें उनकी सबसे कीमती संपत्ति: उनके आनुवंशिक ब्लूप्रिंट (जेनेटिक ब्लूप्रिंट) को नुकसान पहुँचाए बिना अलग करना होगा। दशकों से, वैज्ञानिक 'फ्लोरेसेंस इन सीटू हाइब्रिडाइजेशन' (FISH) नामक तकनीक का उपयोग एक चमकती हुई खोजबीन वाली टॉर्च (सर्चलाइट) के रूप में करने के लिए करते आए हैं। वे कोशिका के भीतर आनुवंशिक सामग्री के एक विशिष्ट हिस्से से एक छोटा, चमकता हुआ टैग जोड़ते हैं, जिससे वह कोशिका सूक्ष्मदर्शी (माइक्रोस्कोप) के नीचे चमक उठती है। एक बार पहचाने जाने के बाद, इन चमकती कोशिकाओं को प्रकाश के आधार पर उन्हें अलग करने वाली मशीन का उपयोग करके मिश्रण से अलग किया जा सकता है। हालाँकि, एक बड़ी बाधा लंबे समय से इस मार्ग को रोक रही थी। कोशिकाओं को दृश्यमान और सॉर्ट करने के लिए पर्याप्त स्थिर बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को आमतौर पर उन्हें "फिक्स" करना पड़ता था, जो कि फॉर्मलाडेहाइड में नमूने को संरक्षित करने या अल्कोहल में भिगोने जैसी एक प्रक्रिया है। जबकि इसने कोशिका के आकार को सुरक्षित रखा, इसने आनुवंशिक सामग्री पर एक भारी ताले की तरह भी काम किया, जिससे बाद में डीएनए (DNA) को पढ़ना लगभग असंभव हो गया। जिस कदम ने वैज्ञानिकों को सही कोशिका खोजने में मदद की, उसी ने अक्सर उसके जीनोम का अध्ययन करने की क्षमता को नष्ट कर दिया, जिससे सबसे दिलचस्प सूक्ष्मजीव एक शांत, अपठनीय अवस्था में बंद रह गए।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस दरवाजे को खोलने का एक नया तरीका विकसित किया है। उन्होंने 'डिथियोबिस(सक्सिनिमाइडिल प्रोपियेट)' (DSP) नामक एक रसायन पेश किया है, जो एक प्रतिवर्ती (रिवर्सिबल) फिक्सेटिव के रूप में कार्य करता है। DSP को एक अस्थायी गोंद के रूप में समझें जो कोशिका को एक साथ थामे रखता है और चमकते टैग को काम करने देता है, लेकिन जिसे बाद में डीएनए को अक्षुण्ण छोड़ने के लिए घुलाया जा सकता है। अपने अध्ययन में, वैज्ञानिकों ने शुद्ध कल्चर, नदी के पानी, समुद्री तलछट और मानव मल से प्राप्त बैक्टीरिया पर इस नई विधि का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि DSP से उपचारित कोशिकाएं पारंपरिक, कठोर रसायनों से उपचारित कोशिकाओं की तरह ही चमकती थीं, और भंडारण के दौरान महीनों तक स्थिर रहीं। महत्वपूर्ण रूप से, जब शोधकर्ताओं ने DSP बंधों को तोड़ने के लिए एक सरल रासायनिक एजेंट मिलाया, तो कोशिकाओं ने अपना डीएनए पूरी तरह से मुक्त कर दिया, जो अनुक्रमण (सीक्वेंसिंग) के लिए तैयार था। इसका मतलब है कि वैज्ञानिक अब एक विशिष्ट सूक्ष्मजीव की पहचान कर सकते हैं, उसे अलग कर सकते हैं, और पुराने संरक्षण तरीकों से होने वाले नुकसान के बिना तुरंत उसके पूरे आनुवंशिक कोड को पढ़ सकते हैं।
शोधकर्ताओं ने जटिल मानव मल के नमलों से विशिष्ट बैक्टीरिया को अलग करके इस दृष्टिकोण की शक्ति का प्रदर्शन किया। उन्होंने बैक्टीरिया के उन समूहों को लक्षित किया जो गट हेल्थ (आंत के स्वास्थ्य) के लिए महत्वपूर्ण माने जाते हैं, जैसे कि फेकैलबैक्टीरियम (Faecalibacterium) और फोकेसिलकोला (Phocaeicola)। DSP विधि का उपयोग करके, वे मूल नमूने की तुलना में इन विशिष्ट समूहों को सतह से बहत्तर गुना (77 गुना) अधिक समृद्ध करने में सक्षम रहे। इन अलग की गई कोशिकाओं से, उन्होंने उच्च गुणवत्ता वाले जीनोम का सफलतापूर्वक पुनर्निर्माण किया, जिससे इन कठिन-से-अध्ययन वाले जीवों की पूर्ण आनुवंशिक क्षमता का पता चला। एक उल्लेखनीय उदाहरण में, उन्होंने फोकेसिलकोला वल्गैटस (Phocaeicola vulgatus) की एकल कोशिकाओं को अलग किया और, क्योंकि डीएनए बहुत अच्छी तरह से संरक्षित था, वे न केवल बैक्टीरिया के अपने जीन, बल्कि उनके भीतर रहने वाले डीएनए के छोटे, गोलाकार टुकड़ों यानी प्लास्मिड (plasmids) और वायरल अनुक्रमों को भी देख सके। विवरण का यह स्तर वैज्ञानिकों को यह देखने की अनुमति देता है कि कौन से वायरस किन बैक्टीरिया को संक्रमित करते हैं और बैक्टीरिया आनुवंशिक गुणों को कैसे साझा करते हैं, जो कि एक ऐसा स्तर है जो पहले इन विशिष्ट लक्ष्यों के लिए पहुंच से बाहर था।
अध्ययन ने यह भी दिखाया कि यह विधि विभिन्न प्रकार के वातावरणों में भी काम करती है। चाहे नदी में बैक्टीरिया को देखा जा रहा हो, गहरे समुद्र की कीचड़ में, या मानव आंत में, DSP फिक्सेटिव ने लगातार अच्छा प्रदर्शन किया। इसने कोशिकाओं के भौतिक द्रव्यमान को संरक्षित किया, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि भंडारण के दौरान वे सिकुड़ें या गायब न हों, और यह ग्राम-नेगेटिव और ग्राम-पॉजिटिव बैक्टीरिया, दोनों प्रकार के प्रमुख संरचनात्मक सेल वॉल वाले बैक्टीरिया के लिए काम करता है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि जबकि कुछ पुरानी विधियों को कुछ कठिन सेल वॉल वाले बैक्टीरिया के साथ संघर्ष करना पड़ा, नए दृष्टिकोण ने सूक्ष्मजीवों की एक विस्तृत श्रृंखला की सफल पहचान और छंटनी (सॉर्टिंग) की अनुमति दी। विशिष्ट कोशिकाओं को देखने की क्षमता को उनके डीएनए को पढ़ने की क्षमता के साथ जोड़कर, यह नई तकनीक माइक्रोबायोम (microbiome) की खोज के लिए एक शक्तिशाली उपकरण प्रदान करती है। यह सुझाव देता है कि वैज्ञानिक अब समुदाय में कौन से सूक्ष्मजीव क्या कर रहे हैं, इसका अनुमान लगाने से आगे बढ़ सकते हैं और इसके बजाय ठीक से पहचान सकते हैं कि कौन से सक्रिय हैं, उन्हें अलग कर सकते हैं, और उनके आनुवंशिक कोड से सीधे उनकी कहानियाँ पढ़ सकते हैं।
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