Complete loss of lipoprotein biosynthesis machinery in an obligate intracellular bacterium

अधिकांश जीवित कोशिकाएं किलों की तरह होती हैं, जो दीवारों से घिरी होती हैं जो बाहरी दुनिया को दूर रखती हैं जबकि आवश्यक आपूर्ति को गुजरने देती हैं। जीवाणुओं (बैक्टीरिया) की दुनिया में, ये दीवारें परतों से बनी जटिल संरचनाएं होती हैं, और बैक्टीरिया अपने बाहरी बचाव को सुरक्षित करने के लिए अपने सतह प्रोटीन से छोटे, चिकने लंगर (anchors) जोड़ने का सबसे आम तरीका अपनाते हैं। ये लंगर, जिन्हें लिपिड कहा जाता है, आणविक रिवेट्स (rivets) की तरह कार्य करते हैं, जो प्रोटीनों को झिल्ली (membrane) के विरुद्ध मजबूती से थामे रखते हैं। यह प्रणाली इतनी मौलिक है कि यह लगभग हर प्रकार के बैक्टीरिया में पाई जाती है, हमारे पेट में मौजूद हानिरहित सूक्ष्मजीवों से लेकर बीमारी फैलाने वाले खतरनाक बैक्टीरिया तक। इन लिपिड लंगरों के बिना, बैक्टीरिया की दीवार संभवतः बिखर जाएगी, जिससे जीव अपने पर्यावरण के प्रति असुरक्षित हो जाएगा।

हालाँकि, प्रकृति कभी-कभी एक अलग रास्ता चुनती है जब कोई जीव एक बहुत ही विशिष्ट, छिपे हुए जीवन को जीता है। ओरिएंटिया त्सुसुगामुशी (Orientia tsutsugamushi) एक ऐसा बैक्टीरिया है जो स्क्रब टाइफस का कारण बनता है, एक ऐसी बीमारी जो माइट्स (mites) द्वारा प्रसारित होती है। अन्य कई बैक्टीरिया के विपरीत, जो स्वतंत्र रूप से या मेजबान कोशिकाओं के भीतर सुरक्षात्मक बुलबुलों के अंदर रहते हैं, यह सूक्ष्मजीव सीधे मेजबान कोशिका के मुख्य शरीर तरल, यानी साइटोप्लाज्म (cytoplasm) के अंदर रहता है। इसने पहले ही जीवन के कई मानक उपकरणों को त्याग दिया है, जिसमें वह जटिल शर्करा युक्त परत शामिल है जो आमतौर पर प्रतिरक्षा प्रणाली को सक्रिय करती है और एक मोटी, कठोर कोशिका भित्ति (cell wall) भी। अब, शोधकर्ताओं ने पाया है कि इस बैक्टीरिया ने अपनी न्यूनतमवादी (minimalist) रणनीति को चरम स्तर तक पहुँचा दिया है: इसने उन सभी मशीनों को पूरी तरह से खो दिया है जो इसके सतह प्रोटीनों से उन चिकने लंगरों को जोड़ने के लिए आवश्यक हैं।

कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं के नेतृत्व वाली वैज्ञानिकों की टीम यह समझने के लिए आगे बढ़ी कि ओरिएंटिया त्सुसुगामुशी इन आवश्यक लंगरों के बिना अपनी बाहरी परत को कैसे बना लेता है। उन्होंने बैक्टीरिया के जेनेटिक कोड को स्कैन करना शुरू किया, उन विशिष्ट जीन की तलाश की जो लिपिड लंगरों के लिए असेंबली लाइन के रूप में कार्य करते हैं। लगभग हर अन्य बैक्टीरिया में, इस असेंबली लाइन में एंजाइमों की एक श्रृंखला शामिल होती है जो प्रोटीन से फैटी चेन जोड़ती है और फिर उन्हें बाहरी दीवार तक पहुँचाती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि ओरिएंटिया त्सुसुगामुशी उन दो प्रमुख एंजाइमों को खो चुका है जो जुड़ाव का कार्य करते हैं और उस संपूर्ण परिवहन प्रणाली को भी खो चुका है जो तैयार उत्पादों को उनके गंतव्य तक ले जाती है। इसके अलावा, वे प्रोटीन जो आमतौर पर इन लंगरों को प्राप्त करते हैं, उनमें वह विशिष्ट डॉकिंग साइट (docking site) भी नहीं है जहाँ जुड़ाव होता है। बैक्टीरिया ने प्रभावी रूप से फैक्ट्री और डिलीवरी ट्रकों दोनों को हटा दिया है, फिर भी उसके पास वे प्रोटीन मौजूद हैं जिन्हें सामान्य रूप से पहुँचाया जाना चाहिए था।

इस खोज ने एक पहेली जैसा प्रश्न खड़ा कर दिया: यदि बैक्टीरिया मानक विधि का उपयोग करके इन प्रोटीनों को झिल्ली से नहीं जोड़ सकता है, तो वे अपनी जगह पर कैसे बने रहते हैं? शोधकर्ताओं ने 'पाल' (Pal) नामक एक विशिष्ट प्रोटीन पर ध्यान केंद्रित किया, जो अन्य बैक्टीरिया में एक संरचनात्मक सहारे के रूप में कार्य करता है, जो बाहरी दीवार को आंतरिक परतों से जोड़ता है। ओरिएंटिया त्सुसुगामुशी में, यह प्रोटीन अभी भी मौजूद है, लेकिन इसमें सामान्य लिपिड लंगर गायब है। इस प्रोटीन का त्रि-आयामी मॉडल बनाकर और संबंधित बैक्टीरिया में पाए जाने वाले संस्करणों से तुलना करके, टीम ने कुछ अनूठा देखा। ओरइंटिया त्सुसुगामुशी का संस्करण इसके आरंभ में एक अतिरिक्त भाग, एक पूँछ (tail) रखता है जो इस प्रोटीन के किसी भी अन्य ज्ञात संस्करण में नहीं पाई जाती है।

इस अतिरिक्त पूँछ के क्या कार्य थे, इसका परीक्षण करने के लिए वैज्ञानिकों ने लैब में प्रोटीन को संश्लेषित किया और इसे लिपिड्स के घोल के साथ मिलाया, जिससे छोटे बुलबुले बने जो कोशिका झिल्ली की नकल करते हैं। उन्होंने देखा कि प्रोटीन का पूर्ण संस्करण, अपनी अतिरिक्त पूँछ के साथ, लिपिड बुलबुलों से मजबूती से चिपक गया। हालाँकि, जब उन्होंने पूँछ को हटा दिया, तो प्रोटीन तैरकर अलग हो गया और बिल्कुल भी नहीं जुड़ा। इसने पुष्टि की कि बैक्टीरिया ने अपने प्रोटीनों को अपनी जगह पर रखने का एक नया तरीका विकसित किया है। एक चिकने लंगर का उपयोग करने के बजाय, प्रोटीन अपनी पूँछ के भीतर दो हेलिकल (helical) संरचनाओं का उपयोग करता है जो एक हुक की तरह कार्य करती हैं, और सीधे झिल्ली में खुद को स्थापित कर लेती हैं। यह तंत्र प्रोटीन को बिना लापता लिपिड-जुड़ाव मशीनरी के जुड़े रहने की अनुमति देता है।

शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि यह प्रोटीन वास्तव में बैक्टीरिया के भीतर कहाँ स्थित है। एक सूक्ष्मदर्शी और विशेष चमकने वाले एंटीबॉडी का उपयोग करके, उन्होंने देखा कि प्रोटीन कोशिका के बिल्कुल किनारे पर और विभाजन रेखा पर स्थित है जहाँ बैक्टीरिया दो भागों में विभाजित होता है। यह पुष्टि करता है कि प्रोटीन वास्तव में कोशिका की बाहरी संरचना का हिस्सा है, जो सामान्य एंकरिंग सिस्टम की अनुपस्थिति के बावजूद अपना काम कर रहा है। हालाँकि टीम अभी तक यह निर्धारित नहीं कर पाई है कि अन्य लापता प्रोटीनों को कैसे थामे रखा जाता है, लेकिन इस एक प्रोटीन का व्यवहार यह सुझाव देता है कि बैक्टीरिया ने एक चतुर समाधान खोज लिया है जो अधिकांश प्रजातियों के लिए घातक होता।

यह खोज इस लंबे समय से चली आ रही धारणा को चुनौती देती है कि दो परतों वाली कोशिका भित्ति वाले बैक्टीरिया के लिए लिपिड-एंकरिंग प्रणाली अपरिहार्य है। ओरिएंटिया त्सुसुगामुशी ने अपनी जीव विज्ञान को अत्यधिक सरल बनाकर जीवित रहने और फलने-फूलने में सफलता प्राप्त की है, जिससे उसने लिपिड जुड़ाव के लिए जटिल मशीनरी को त्याग दिया और उसे एक प्रत्यक्ष, संरचनात्मक समाधान से बदल दिया है। बैक्टीरिया ने अपनी दीवारों को एक साथ रखने के लिए एक सार्वभौमिक, जटिल प्रणाली के बजाय एक सरल, अधिक प्रत्यक्ष विधि को अपनाया है। यह अनुकूलन संभवतः जीव को मेजबान की प्रतिरक्षा प्रणाली से अदृश्य रहने में मदद करता है, क्योंकि यह उन मानक आणविक संकेतों को उत्पन्न करने से बचता है जो आमतौर पर खतरे का अलार्म बजाते हैं। यह अध्ययन बताता है कि बैक्टीरिया के जीव विज्ञान के सबसे मौलिक नियमों को भी फिर से लिखा जा सकता है जब किसी जीव को दूसरे जीव के भीतर जीवन जीने के लिए अनुकूलित होने के लिए मजबूर किया जाता है।