Intrinsic timekeeping in Escherichia coli

अधिकांश जीवित चीजें, सबसे सूक्ष्म एककोशिकीय जीवों से लेकर जटिल जानवरों तक, समय की एक आंतरिक समझ रखती हैं। यह जैविक घड़ी उन्हें अपने वातावरण में होने वाले अनुमानित परिवर्तनों, जैसे कि उगते सूरज या रात की ठंडी हवा, के प्रति केवल प्रतिक्रिया देने के बजाय उनका पूर्वानुमान लगाने में सक्षम बनाती है। मनुष्यों और अन्य जानवरों में, ये घड़ियाँ नींद, चयापचय (मेटाबॉलिज्म) और प्रतिरक्षा कार्यों को समन्वित करती हैं, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि परस्पर विरोधी गतिविधियाँ एक ही समय में न हों। दशकों तक, वैज्ञानिकों का मानना था कि समय बनाए रखने की यह क्षमता केवल उन जीवों तक सीमित है जिनमें जटिल तंत्रिका तंत्र होता है या जो प्रकाश संश्लेषण करते हैं, जैसे कि पौधे और कुछ बैक्टीरिया जो सूर्य के प्रकाश का उपयोग करते हैं। गैर-प्रकाश संश्लेषी बैक्टीरिया, जो सूक्ष्मजीव जगत का एक बड़ा हिस्सा बनाते हैं, के बारे में आम तौर पर माना जाता था कि उनमें यह आंतरिक समय निर्धारण तंत्र नहीं होता, बल्कि वे केवल एक सरल, प्रतिक्रियात्मक आधार पर कार्य करते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब खोजा है कि यह धारणा गलत है। उन्होंने पाया कि एस्चेरिचिया कोलाई (Escherichia coli), जो मानव आंत में पाया जाने वाला एक सामान्य बैक्टीरिया है, में समय बनाए रखने की अंतर्निहित क्षमता है। यह बैक्टीरिया केवल अपने परिवेश के प्रति प्रतिक्रिया नहीं करता है; यह एक दैनिक लय सीख सकता है और बाहरी संकेतों को हटा दिए जाने के बाद भी उसका पालन करना जारी रख सकता है। अध्ययन से पता चलता है कि ये बैक्टीरिया समय के बीतने को ट्रैक करने के लिए एक विशिष्ट आंतरिक संकेतन प्रणाली (signaling system) का उपयोग करते हैं, जिससे वे दैनिक तापमान परिवर्तनों के होने से पहले ही उनके लिए तैयार हो सकते हैं। यह खोज बताती है कि भविष्य का पूर्वानुमान लगाने की क्षमता सूक्ष्मजीव जगत में पहले की कल्पना से कहीं अधिक व्यापक है, जो इस लंबे समय से चले आ रहे विचार को चुनौती देती है कि समय रखना एक जटिल जीवन रूपों के लिए आरक्षित गुण है।

शोधकर्ताओं ने अपनी जांच की शुरुआत एक नियंत्रित वातावरण में ई. कोलाई के व्यवहार का अवलोकन करके की। उन्होंने बैक्टीरिया को एक विशेष जेल पर पतली, गोलाकार कॉलोनियों के रूप में उगाया जिसमें एक लाल रंग का डाई (dye) था। यह डाई 'कर्ली' (curli) नामक एक चिपचिपे पदार्थ से जुड़ जाता है, जिसे बैक्टीरिया सतहों से चिपकने और बायोफिल्म नामक सुरक्षात्मक समुदायों के निर्माण में मदद करने के लिए बनाते हैं। वैज्ञानिक जानते थे कि कर्ली का उत्पादन तापमान के प्रति संवेदनशील है, इसलिए उन्होंने बैक्टीरिया की कॉलोनियों को एक इनक्यूबेटर में रखा जो दो तापमानों के बीच बदलता रहता था: एक ठंडा 25.5 डिग्री सेल्सियस और एक थोड़ा गर्म 28.5 डिग्री सेल्सियस। उन्होंने दिन-रात के चक्र की नकल करने के लिए हर बारह घंटों में तापमान बदला।

जैसे-जैसे बैक्टीरिया केंद्र से बाहर की ओर बढ़ते गए, उन्होंने अपनी गतिविधि का एक दृश्य रिकॉर्ड पीछे छोड़ दिया। जब बैक्टीरिया ने कर्ली का उत्पादन किया, तो लाल डाई ने उस क्षेत्र को रंग दिया, जिससे एक गहरा घेरा बन गया। जब उन्होंने इसका उत्पादन बंद कर दिया, तो घेरा साफ रहा। यदि बैक्टीरिया केवल तापमान के प्रति प्रतिक्रिया दे रहे होते, तो गहरे घेरे ठीक तभी दिखाई देते जब तापमान बदलता। हालांकि, शोधकर्ताओं ने कुछ अलग देखा। बैक्टीरिया ने अपने व्यवहार में बदलाव करना शुरू कर दिया। उन्होंने तापमान बढ़ने के निर्धारित समय से लगभग छह घंटे पहले ही चिपचिपे कर्ली पदार्थ का उत्पादन करना शुरू कर दिया। प्रतिक्रिया देने से पूर्वानुमान लगाने की ओर यह बदलाव एक वास्तविक जैविक घड़ी का लक्षण है। बैक्टीरिया ने अपनी आंतरिक लय को बाहरी तापमान चक्र के साथ तालमेल बिठा लिया था, प्रभावी रूप से शेड्यूल को सीख लिया था।

यह साबित करने के लिए कि यह लय आंतरिक थी न कि पर्यावरण के प्रति केवल एक निरंतर प्रतिक्रिया, वैज्ञानिकों ने एक महत्वपूर्ण परीक्षण किया। तीन दिनों तक तापमान चक्र चलाने के बाद, उन्होंने बैक्टीरिया को एक स्थिर, अपरिवर्तित तापमान में छोड़ दिया। यदि बैक्टीरिया केवल गर्मी के प्रति प्रतिक्रिया दे रहे होते, तो छल्लों का पैटर्न तुरंत रुक जाना चाहिए था। इसके बजाय, बैक्टीरिया ने कम से कम तीन और दिनों तक एक लयबद्ध पैटर्न में चिपचिपे पदार्थ का उत्पादन जारी रखा। उन्होंने लगभग चौबीस घंटों की एक स्थिर गति बनाए रखी, भले ही बाहरी दुनिया शांत हो गई थी। यह घटना, जिसे 'फ्री-रनिंग रिदम' (free-running rhythm) कहा जाता है, ने पुष्टि की कि बैक्टीरिया एक आंतरिक टाइमर पर चल रहे थे जिसे पहले के तापमान परिवर्तनों द्वारा सेट किया गया था।

टीम ने फिर इस बात की जांच की कि बैक्टीरिया दो विपरीत व्यवहारों को कैसे समन्वित करते हैं: सतह से चिपकना और घूमना। बैक्टीरिया तैरने के लिए चाबुक जैसी पूंछ का उपयोग करते हैं जिसे फ्लैगेला (flagella) कहा जाता है, लेकिन उन्हें एक स्थिर समुदाय बनाने के लिए तैरना बंद करना होता है और एक चिपचिपी सतह बनानी होती है। ये दोनों गतिविधियाँ परस्पर अनन्य (mutually exclusive) हैं; एक बैक्टीरिया एक समय में दोनों काम नहीं कर सकता। शोधकर्ताओं ने पाया कि बैक्टीरिया ने इन कार्यों को समय के आधार पर अलग कर दिया। जब बैक्टीरिया चिपकने के लिए चिपचिपे कर्ली के उत्पादन में सबसे अधिक सक्रिय थे, तब तैरने वाले फ्लैगेला बनाने के लिए जिम्मेदार जीन शांत थे। इसके विपरीत, जब बैक्टीरिया तैरने की तैयारी कर रहे थे, तो चिपचिपे पदार्थ का उत्पादन रुक गया। इस अलगाव ने यह सुनिश्चित किया कि बैक्टीरिया एक साथ परस्पर विरोधी कार्यों को करने में ऊर्जा बर्बाद न करें, जो कि मनुष्यों के रात में सोने और दिन में सक्रिय रहने की रणनीति के समान है।

इस घड़ी के पीछे की मशीनरी को समझने के लिए, शोधकर्ताओं ने जेनेटिक्स (आनुवंशिकी) का सहारा लिया। उन्होंने बैक्टीरिया के भीतर एक विशिष्ट संचार प्रणाली को देखा जिसे 'आरसीएस फॉस्फोरेले' (Rcs phosphorelay) कहा जाता है। यह प्रणाली एक रिले रेस की तरह कार्य करती है, जो एक रासायनिक संकेत को कोशिका के बाहरी किनारे से आंतरिक नियंत्रण केंद्र तक पहुँचाती है ताकि बैक्टीरिया को बताया जा सके कि क्या करना है। इस प्रणाली के टूटे हुए हिस्सों वाले बैक्टीरिया बनाकर, वैज्ञानिकों ने पाया कि आरसीएस मार्ग (Rcs pathway) घड़ी के काम करने के लिए आवश्यक था। इस रिले के एक विशिष्ट घटक के बिना, बैक्टीरिया तापमान परिवर्तन को महसूस तो कर सकते थे, लेकिन तापमान स्थिर होने पर वे लय बनाए रखने की क्षमता खो देते थे। इससे संकेत मिला कि समय निर्धारण तंत्र स्वयं इस संकेतन मार्ग के भीतर स्थित था।

अध्ययन में यह भी पता लगाया गया कि बैक्टीरिया ने घड़ी सेट करने के लिए प्रारंभिक संकेत कैसे प्राप्त किया। उन्होंने एक अलग प्रणाली की पहचान की जिसे 'ब्लूएफआर' (BluFR) कहा जाता है, जो नीले प्रकाश और कम तापमान दोनों के लिए एक सेंसर के रूप में कार्य करता है। यह सेंसर आरसीएस रिले में जानकारी फीड करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि ब्लूएफआर प्रणाली ने पर्यावरणीय परिवर्तनों को ट्रैक किया लेकिन अपने आप लय बनाए नहीं रख सकी। इसके बजाय, इसने वह इनपुट के रूप में कार्य किया जिसने आंतरिक आरसीएस घड़ी को सिंक्रोनाइज़ किया। एक आश्चर्यजनक प्रदर्शन में, वैज्ञानिकों ने दिखाया कि वे केवल प्रकाश का उपयोग करके बैक्टीरिया की घड़ी को रीसेट कर सकते थे। बैक्टीरिया को नीले प्रकाश और अंधेरे के चक्रों के संपर्क में रखकर, वे चिपचिपे पदार्थ के उत्पादन के समान लयबद्ध पैटर्न उत्पन्न कर सकते थे, जिससे यह सिद्ध हुआ कि बैक्टीरिया तापमान की तरह ही प्रकाश को भी समय के संकेत के रूप में उपयोग कर सकते हैं।

अंत में, शोधकर्ताओं ने बैक्टीरिया की समय प्रणाली की तुलना प्रकाश संश्लेषी बैक्टीरिया में पाई जाने वाली प्रसिद्ध घड़ियों से की, जो अन्य एकमात्र बैक्टीरिया हैं जिनके पास एक परिभाषित आणविक घड़ी है। साझा आनुवंशिक इतिहास न होने के बावजूद, ई. कोलाई की समय प्रणाली में मौजूद प्रोटीन, प्रकाश संश्लेषी घड़ी के प्रोटीनों के त्रि-आयामी आकार में उल्लेखनीय रूप से समान दिखते हैं। दोनों प्रणालियाँ सूचना को संसाधित करने और एक लय उत्पन्न करने के लिए रासायनिक स्विचों और संरचनात्मक डोमेन की एक श्रृंखला का उपयोग करती हैं। यह सुझाव देता है कि प्रकृति ने दैनिक चक्रों का पूर्वानुमान लगाने की समस्या को हल करने के लिए अलग-अलग तरीकों से, समान वास्तुशिल्प सिद्धांतों का उपयोग करते हुए, एक ही समाधान तक पहुँचने का प्रयास किया है।

यह खोज बैक्टीरिया के जीवन के बारे में हमारी समझ को नया रूप देती है। यह दिखाती है कि ई. कोलाई जैसे सरल जीव भी एक शेड्यूल सीख सकते हैं, उसे याद रख सकते हैं और उस पर पहले से कार्य कर सकते हैं। पर्यावरणीय परिवर्तनों का पूर्वानुमान लगाने की क्षमता संभवतः उत्तरजीविता का लाभ प्रदान करती है, जिससे बैक्टीरिया को दिन की चुनौतियों के आने से पहले ही तैयार होने में मदद मिलती है। इस समय रखने के लिए जिम्मेदार विशिष्ट जीन और प्रोटीन की पहचान करके, शोधकर्ताओं ने बैक्टीरिया के व्यवहार को समन्वित करने के तरीके को समझने के लिए एक नया द्वार खोल दिया है। यह ज्ञान अंततः यह समझने में मदद कर सकता है कि बैक्टीरिया अपने परिवेश के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करते हैं, जिससे चिकित्सा और उद्योग में बैक्टीरिया के विकास को प्रबंधित करने के नए तरीके विकसित हो सकते हैं। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि समय बनाए रखने की क्षमता जीवित दुनिया में एक मौलिक और व्यापक गुण है, जो हमारे रोजमर्रा के जीवन में देखे जाने वाले जटिल जीवों से कहीं आगे तक विस्तृत है।