The large conjugative plasmid pAB3 integrates into the chromosome of Acinetobacter baumannii ATCC 17978

बैक्टीरिया स्थिर संस्थाएं नहीं हैं; वे गतिशील हैं, जो बदलती दुनिया में जीवित रहने के लिए अपनी आंतरिक संरचना को लगातार नया आकार देते रहते हैं। उनके विकासवादी टूलकिट में सबसे शक्तिशाली उपकरणों में से एक है आनुवंशिक सामग्री का आदान-प्रदान करने की क्षमता, जो अक्सर उन जीनों को ले जाती है जो उन्हें एंटीबायोटिक दवाओं के प्रति प्रतिरोधी बनाने या प्रतिस्पर्धियों पर हमला करने की अनुमति देते हैं। दुनिया भर की प्रयोगशालाओं में सबसे अधिक अध्ययन किए जाने वाले बैक्टीरिया में से एक एसीनेटोबैक्टर बॉमनि (Acinetobacter baumannii) है, जो अस्पतालों में कठिन-से-इलाज वाले संक्रमणों का कारण बनने के लिए कुख्यात है। वैज्ञानिकों ने लंबे समय से इस बैक्टीरिया के एक विशिष्ट स्ट्रेन, जिसे ATCC 17978 के रूप में जाना जाता है, का प्रयोगों के लिए एक मानक संदर्भ के रूप में उपयोग किया है। यह स्ट्रेन एक अजीब आनुवंशिक स्विच के लिए प्रसिद्ध है: यह या तो एक बड़ा, गोलाकार डीएनए खंड जिसे प्लास्मिड कहा जाता है, रख सकता है जो इसे एक सामान्य एंटीबायोटिक के प्रति प्रतिरोधी बनाता है, या यह उस प्लास्मिड को खो सकता है ताकि टाइप VI स्राव प्रणाली (type VI secretion system) नामक एक जैविक हथियार को सक्रिय किया जा सके, जिसका उपयोग यह अन्य बैक्टीरिया को मारने के लिए करता है। वर्षों तक, शोधकर्ताओं का मानना था कि इस प्लास्मिड की उपस्थिति या अनुपस्थिति एक साधारण ऑन-ऑफ स्विच है, और जब कुछ जेनेटिक मैप्स में यह प्लास्मिड मुख्य बैक्टीरियल क्रोमोसोम के अंदर दिखाई देता था, तो इसे कंप्यूटर सॉफ्टवेयर द्वारा असेंबली के दौरान की गई एक त्रुटि माना जाता था।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस लंबे समय से चली आ रही धारणा को चुनौती दी है, यह प्रकट करते हुए कि कहानी एक साधारण असेंबली त्रुटि से कहीं अधिक जटिल है। उच्च-रिज़ॉल्यूशन अनुक्रमण तकनीक (high-resolution sequencing technology) के साथ इस बैक्टीरिया के आनुवंशिक ब्लूप्रिंट की जांच करके, उन्होंने पाया कि यह प्लास्मिड वास्तव में उनके द्वारा अध्ययन किए गए आधे से अधिक स्ट्रेन में मुख्य क्रोमोसोम में एकीकृत होता है। यह एकीकरण कोई निष्क्रिय घटना नहीं है; यह बैक्टीरिया के जीनोम में एक व्यापक पुनर्गठन को ट्रिगर करता है, जो डीएनए के एक बड़े हिस्से को एक किताब के पन्ने की तरह पलट देता है। इसके अलावा, शोधकर्ताओं ने पाया कि यह एकीकृत अवस्था इस तरह से अस्थिर है जो बैक्टीरिया को अपनी उत्तरजीविता रणनीति को सूक्ष्मता से अनुकूलित करने की अनुमति देती है। यह अपने जैविक हथियार को चालू करने के लिए एकीकृत प्लास्मिड के विशिष्ट हिस्सों को खो सकता है जबकि उन जीनों को सुरक्षित रख सकता है जो इसे एंटीबायोटिक दवाओं से बचाते हैं। यह खोज बताती है कि जिस प्रयोगशाला स्ट्रेन का वैज्ञानिक दशकों से उपयोग कर रहे हैं, वह पहले की तुलना में बहुत अधिक आनुवंशिक रूप से परिवर्तनशील है, और बैक्टीरिया के पास दवाओं के प्रति प्रतिरोध और प्रतिस्पर्धियों से लड़ने के बीच के संतुलन को बनाए रखने के लिए एक परिष्कृत तंत्र है।

इस खोज की यात्रा ATCC 17978 स्ट्रेन के आनुवंशिक डेटा को करीब से देखने से शुरू हुई। वर्षों पहले बनाए गए मूल जीनोम मानचित्रों में, डीएनए का एक बड़ा हिस्सा मुख्य क्रोमोसोम के अंदर फंसा हुआ प्रतीत होता था। उस समय, वैज्ञानिक समुदाय ने इसे एक तकनीकी खराबी मानकर खारिज कर दिया था, यह मानते हुए कि प्लास्मिड एक स्वतंत्र रूप से तैरते हुए छल्ले के रूप में मौजूद है। हालांकि, इस अध्ययन के शोधकर्ताओं ने इस धारणा का परीक्षण करने का निर्णय लिया कि उन्होंने इस विशिष्ट स्ट्रेन के आधुनिक, उच्च-गुणवत्ता वाले अनुक्रमों का एक विस्तृत संग्रह एकत्र किया। उन्होंने उन्नत अनुक्रमण विधियों का उपयोग किया जो डीएनए के लंबे हिस्सों को पढ़ती हैं, जिससे वे पुराने मानचित्रों में होने वाली कमियों और त्रुटियों के बिना पूर्ण बैक्टीरियल जीनोम की संरचना देख सके। जब उन्होंने इन नए मानचित्रों का विश्लेषण किया, तो उन्होंने पाया कि प्लास्मिड वास्तव में बड़ी संख्या में नमूनों में क्रोमोसोम में फ्यूज (जुड़ा हुआ) था। यह कोई कंप्यूटर त्रुटि नहीं थी; यह वास्तविक दुनिया में घटित होने वाली एक वास्तविक जैविक घटना थी।

एक बार जब उन्होंने एकीकरण की पुष्टि कर ली, तो शोधकर्ताओं ने जांच की कि इस संलयन (fusion) ने वास्तव में बैक्टीरिया को क्या दिया। उन्होंने पाया कि प्लास्मिड के सम्मिलन (insertion) ने बैक्टीरिया को एक विशिष्ट आनुवंशिक अनुक्रम प्रदान किया जो एक धुरी बिंदु (pivot point) के रूप में कार्य करता है। इस धुरी ने क्रोमोसोम के एक विशाल खंड को पलटने की अनुमति दी, जिससे एक नई संरचनात्मक व्यवस्था बनी जिसे पहले कभी ठीक से पहचाना नहीं गया था। यह फ्लिप क्रोमोसोम के केंद्र के चारों ओर सममित (symmetrical) था, एक ऐसा पुनर्गठन जिसे शोधकर्ता नए मानचित्रों की तुलना पुराने मानचित्रों से करके स्पष्ट रूप से देख सके। उन्होंने यह भी जांचा कि क्या इस व्यापक पुनर्गठन ने बैक्टीरिया के दैनिक कार्यों में व्यवधान डाला। जीन की गतिविधि को मापकर, जो एकीकरण स्थल के पास स्थित हैं, उन्होंने पाया कि बैक्टीरिया की आंतरिक मशीनरी सामान्य रूप से कार्य करती रही। प्लास्मिड के व्यवहार को नियंत्रित करने वाले जीन न तो शांत (silenced) हुए और न ही अत्यधिक सक्रिय हुए; बैक्टीरिया ने बिना किसी कार्यात्मक दंड के नए डीएनए को आत्मसात कर लिया था।

हालांकि, इस खोज का सबसे दिलचस्प हिस्सा वह था जो इसके बाद हुआ। शोधकर्ताओं ने देखा कि कुछ स्ट्रेन में, एकीकृत प्लास्मिड एक पूर्ण पैकेज नहीं था। जबकि एंटीबायोटिक प्रतिरोध के लिए जिम्मेदार डीएनए का खंड क्रोमोसोम से मजबूती से जुड़ा रहा, एक अलग खंड जिसमें बैक्टीरिया के हथियार को दबाने वाले जीन थे, उसे हटा दिया गया था। यह आंशिक हानि महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सुझाव देती है कि एक नया विकासवादी मार्ग (evolutionary pathway) खुला है। पहले, वैज्ञानिकों का मानना था कि बैक्टीरिया को या तो एंटीबायोटिक-प्रतिरोधी होने या अन्य बैक्टीरिया पर हमला करने में से किसी एक को चुनना होगा। यदि उसने प्लास्मिड को रखा, तो वह प्रतिरोधी था लेकिन निष्क्रिय था; यदि उसने प्लास्मिड को खो दिया, तो वह हमला कर सकता था लेकिन एंटीबायोटिक्स के प्रति संवेदनशील हो जाता था। नए निष्कर्ष बताते हैं कि प्लास्मिड को एकीकृत करके और फिर उसके हिस्सों को चुनिलेक्टिवली (चयनात्मक रूप से) हटाकर, बैक्टीरिया दोनों अवस्थाओं को एक साथ प्राप्त कर सकता है। वह एंटीबायोटिक प्रतिरोध की ढाल को बनाए रखता है और अपने हथियार पर लगे ब्रेक को हटा देता है, जिससे वह संभावित रूप से एक अधिक दुर्जेय रोगजनक बन जाता है।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि ये अवलोकन केवल कंप्यूटर मॉडलिंग के कृत्रिम परिणाम (artifacts) नहीं हैं, टीम ने प्रयोगशाला में अपने स्वयं के प्रयोग किए। उन्होंने बैक्टीरिया के तीन विशिष्ट स्ट्रेन लिए, जिनमें से एक वह था जिसे एकीकृत संरचना वाला ज्ञात था और दूसरा वह जो अलग प्लास्मिड वाला ज्ञात था। उन्होंने इन बैक्टीरिया को उगाया, उनका डीएनए निकाला और लॉन्ग-रीड और शॉर्ट-रीड तकनीकों के संयोजन का उपयोग करके उन्हें शून्य से अनुक्रमित किया। इस हाइब्रिड दृष्टिकोण ने उन्हें जीनोम की एक पूर्ण और सटीक तस्वीर बनाने में सक्षम बनाया। परिणामों ने उनके पिछले निष्कर्षों की पुष्टि की: एकीकृत प्लास्मिड वाले स्ट्रेन ने विशाल डीएनए फ्लिप और विभाजित प्लास्मिड संरचना दिखाई, जबकि अलग प्लास्मिड वाले स्ट्रेन ने ऐसा नहीं किया। उनके द्वारा अनुक्रमित किए गए एक स्ट्रेन में, उन्होंने देखा कि दबाने वाले जीनों वाला प्लास्मिड का खंड गायब था, जिससे केवल एंटीबायोटिक प्रतिरोध जीन ही पीछे रह गया। इस वास्तविक-दुनिया सत्यापन ने सिद्ध किया कि सार्वजनिक डेटाबेस में जो संरचनात्मक भिन्नताएं वे देख रहे थे, वे वास्तविक जैविक घटनाएं थीं।

अध्ययन ने इस पर भी विचार किया कि क्या एकीकरण बैक्टीरिया के आंतरिक संतुलन को बनाए रखने का एक तरीका हो सकता है। बैक्टीरियल क्रोमोसोम अक्सर तब सबसे अच्छा काम करते हैं जब उनके दोनों हिस्से समान आकार के होते हैं, जिसे 'बैलेंस' (संतुलन) की स्थिति कहा जाता है। कुछ वैज्ञानिकों ने अनुमान लगाया था कि प्लास्मिड एकीकरण इस संतुलन को प्राप्त करने में मदद कर सकता है। हालांकि, शोधकर्ताओं ने प्रमुख आनुवंशिक मार्करों के बीच की दूरी को मापा और पाया कि एकीकरण ने क्रोमोसोम को वास्तव में थोड़ा कम संतुलित बना दिया। इसके बावजूद, असंतुलन इतना छोटा था कि इसने बैक्टीरिया की बढ़ने या जीवित रहने की क्षमता को नुकसान नहीं पहुँचाया। यह सुझाव देता है कि बैक्टीरिया इन संरचनात्मक परिवर्तनों को बिना किसी महत्वपूर्ण लागत के सहन कर सकता है, जिससे ये पुनर्गठन जनसंख्या में बने रहते हैं।

इस कार्य के निहितार्थ केवल अध्ययन किए गए विशिष्ट बैक्टीरिया के स्ट्रेन तक ही सीमित नहीं हैं। यह उस अंतर को उजागर करता है कि वैज्ञानिक अक्सर आनुवंशिक भिन्नता को कैसे देखते हैं। लंबे समय से, ध्यान छोटे बदलावों पर रहा है, जैसे कि कोड में एकल अक्षरों का बदलना, जिन्हें पहचानना आसान होता है। बड़े पैमाने पर संरचनात्मक परिवर्तन, जैसे कि पूरे क्रोमोसोम खंडों का पलटना या बड़े डीएनए ब्लॉकों का एकीकरण, देखना कठिन रहा है और उन्हें अक्सर त्रुटियां मानकर खारिज कर दिया गया। यह शोध प्रदर्शित करता है कि ये बड़े परिवर्तन वास्तविक, सामान्य और जैविक रूप से महत्वपूर्ण हैं। यह सुझाव देता है कि दशकों से उपयोग किए जा रहे प्रयोगशाला स्ट्रेन उतने समान नहीं हैं जितने कि पहले माना जाता था, और एक ही स्ट्रेन के विभिन्न बैचों की अलग-अलग आनुवंशिक संरचनाएं हो सकती हैं। प्रतिरोध विकसित करने या रोग पैदा करने के तरीके का अध्ययन करने वाले शोधकर्ताओं के लिए, इसका अर्थ है कि उनके मॉडल जीव की आनुवंशिक पृष्ठभूमि पहले की तुलना में कहीं अधिक जटिल और परिवर्तनशील है।

अंततः, यह शोध एक ऐसी गतिशील प्रक्रिया को प्रकट करता है जहाँ एक बैक्टीरिया डीएनए के एक बाहरी टुकड़े को एकीकृत कर सकता है, अपनी स्वयं की संरचना को पुनर्गठित करने के लिए उसका उपयोग कर सकता है, और फिर अपनी आवश्यकताओं के अनुसार उस नए विन्यास को चुनिंदा रूप से संपादित कर सकता है। प्लास्मिड का एकीकरण इन बड़े पैमाने के पुनर्गठनों के लिए एक मंच प्रदान करता है, और उसके बाद विशिष्ट जीनों का नुकसान बैक्टीरिया को अपनी फेनोटाइप (phenotype) को सूक्ष्म रूप से अनुकूलित करने की अनुमति देता। यह तंत्र एक संभावित स्पष्टीकरण प्रदान करता है कि कैसे बैक्टीरिया एक ही समय में अत्यधिक एंटीबायोटिक-प्रतिरोधी और अत्यधिक घातक (virulent) दोनों होने के लिए विकसित हो सकते हैं, जो नैदानिक सेटिंग्स में एक गंभीर खतरा है। ये निष्कर्ष यह सुझाव नहीं देते हैं कि यह प्रक्रिया अपरिहार्य है या यह हर स्ट्रेन में होती है, लेकिन वे दिखाते हैं कि इसकी संभावना मौजूद है और इसे अनदेखा किया गया है। प्लास्मिड एकीकरण को वास्तविक और कार्यात्मक सिद्ध करके, यह अध्ययन एसीनेटोबैक्टर बॉमनि की विकासवादी लचीलेपन की एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है और यह रेखांकित करता है कि बैक्टीरिया के अनुकूलन और उत्तरजीविता को समझने के लिए छोटे आनुवंशिक परिवर्तनों से परे देखना कितना महत्वपूर्ण है।