Glucose-xylose co-utilization and lactate production with engineered thermophilic Parageobacillus thermoglucosidasius
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि थर्मोफिलिक जीवाणु *Parageobacillus thermoglucosidasius* में *ptsG* और *rbsR* जीनों के रिवर्स इंजीनियरिंग के साथ जाइलोस मेटाबॉलिज्म ओपेरॉन के तर्कसंगत ओवरएक्सप्रेशन (rational overexpression) को संयोजित करने से कार्बन कैटबोलाइट रिप्रेशन प्रभावी रूप से दूर हो जाता है, जिससे ग्लूकोज-जाइलोस का कुशल सह-उपयोग सक्षम होता है और बायोरिएक्टर फर्मेंटेशन में लैक्टेट की पैदावार में महत्वपूर्ण वृद्धि होती है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। यह एक ऐसे प्रीप्रिंट की AI से तैयार की गई व्याख्या है जिसकी अभी सहकर्मी समीक्षा नहीं हुई है। यह चिकित्सकीय सलाह नहीं है। इस सामग्री के आधार पर स्वास्थ्य संबंधी फैसले न लें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ हमारे कारखानों का ईंधन मक्का या गन्ने जैसी खाद्य फसलों से नहीं, बल्कि पौधों के कठोर, रेशेदार कचरे से आता है: जैसे गेहूं के डंठल, चावल की भूसी और लॉगिंग (पेड़ों की कटाई) से बचा हुआ लकड़ी का बुरादा। यह सामग्री, जिसे लिग्नोसेलुलोज (lignocellulose) कहा जाता है, प्रचुर मात्रा में है और यह हमारी खाद्य आपूर्ति के साथ प्रतिस्पर्धा नहीं करती है, जो इसे टिकाऊ प्लास्टिक और रसायनों को बनाने के लिए एक स्वप्निल संसाधन बनाती है। हालाँकि, इस कठोर वनस्पति पदार्थ को उपयोगी उत्पादों में बदलना कठिन है। जब वैज्ञानिक इन रेशों को तोड़ते हैं, तो वे दो मुख्य शर्कराओं का मिश्रण छोड़ते हैं: ग्लूकोज और जाइलोस (xylose)। जबकि कई सूक्ष्मजीव ग्लूकोज को आसानी से खा सकते हैं, वे अक्सर जाइलोस को अनदेखा कर देते हैं, और दूसरे शर्करा पर काम शुरू करने से पहले ग्लूकोज के खत्म होने का इंतज़ार करते हैं। यह प्रतीक्षा का खेल उत्पादन को धीमा कर देता है और समय बर्बाद करता है। इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ता ऐसे सूक्ष्मजीवों की तलाश कर रहे हैं जो दोनों शर्कराओं को एक साथ खा सकें, विशेष रूप से वे जो गर्म वातावरण में पनपते हैं जहाँ पौधों के रेशों को तोड़ने के लिए आवश्यक गर्मी उपलब्ध होती है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस खाने की प्राथमिकता को दूर करने के लिए 'पैरागेobacillus थर्मोग्लूकोसिडस' (Parageobacillus thermoglucosidasius) नामक एक गर्मी-प्रेमी बैक्टीरिया को इंजीनियर करने का लक्ष्य रखा। यह सूक्ष्मजीव औद्योगिक उपयोग के लिए पहले से ही एक मजबूत उम्मीदवार है क्योंकि यह 60 से 65 डिग्री सेल्सियस के तापमान के बीच सबसे अच्छा बढ़ता है, जो पौधों के रेशों को तोड़ने के लिए आवश्यक गर्मी से मेल खाता है। वैज्ञानिकों ने इसके आंतरिक निर्देशों को फिर से व्यवस्थित किया ताकि यह ग्लूकोज और जाइलोस को एक के बाद एक खाने के बजाय एक साथ खा सके। उन्होंने एक पिछले प्रयोग से शुरुआत की जहाँ बैक्टीरिया ने स्वाभाविक रूप से तब दोनों शर्कराओं को खाना सीख लिया था जब उन्हें ऐसा करने के लिए मजबूर किया गया था। उन विकसित बैक्टीरिया के आनुवंशिक परिवर्तनों का अध्ययन करके, टीम ने दो विशिष्ट उत्परिवर्तनों (mutations) की पहचान की जो इस नए व्यवहार के लिए जिम्मेदार लग रहे थे। एक उत्परिवर्तन ने उस प्रोटीन को बदल दिया जो कोशिका को ग्लूकोज पकड़ने में मदद करता है, और दूसरे ने उस आनुवंशिक "ब्रेक" को हटा दिया जो सामान्यतः कोशिका को अन्य शर्कराओं के लिए ट्रांसपोर्टर बनाने से रोकता है।
शोधकर्ताओं ने इस बेहतर व्यवहार को फिर से बनाने के लिए बैक्टीरिया के एक मानक संस्करण में इन सटीक परिवर्तनों को बनाया। उन्होंने तीन नए स्ट्रेन (strains) बनाए: एक जिसमें परिवर्तित ग्लूकोज-पकड़ने वाला प्रोटीन था, एक जिसमें हटाया गया ब्रेक था, और एक जिसमें दोनों परिवर्तन संयुक्त थे। उन्होंने एक अलग दृष्टिकोण भी अपनाया, जिसमें बैक्टीरिया को अन्य शर्करा की उपस्थिति की परवाह किए बिना, जाइलोस खाने के लिए आवश्यक मशीनरी बनाने के लिए मजबूर किया गया। जब उन्होंने नियंत्रित वातावरण में इन नए स्ट्रेन का परीक्षण किया, तो परिणामों ने दिखाया कि आनुवंशिक परिवर्तन काम कर रहे थे, लेकिन अलग-अलग तरीकों से। परिवर्तित ग्लूकोज प्रोटीन वाले स्ट्रेन ने दोनों शर्कराओं को समान गति से खाया। हटाए गए ब्रेक वाले स्ट्रेन ने भी दोनों शर्कराओं को एक साथ खाया, हालांकि वह समग्र रूप से अधिक धीरे विकसित हुआ। दोनों परिवर्तनों वाले संयुक्त स्ट्रेन ने आश्चर्यजनक व्यवहार किया, वास्तव में उसने ग्लूकोज की तुलना में जाइलोस को प्राथमिकता दी, जो सामान्य क्रम का पूर्ण उलट था।
यह समझने के लिए कि ये परिवर्तन क्यों हुए, टीम ने कोशिकाओं के भीतर देखा कि कौन से प्रोटीन बन रहे हैं। उन्होंने पाया कि उत्परिवर्तनों के कारण बैक्टीरिया ने जाइलोस खाने के जीन को दबाना बंद कर दिया, जिससे कोशिका को ग्लूकोज मौजूद होने के दौरान भी इसे उपभोग करने के लिए आवश्यक उपकरण बनाने की अनुमति मिली। हटाए गए ब्रेक वाले स्ट्रेन में ग्लूकोज पकड़ने के लिए जिम्मेदार प्रोटीन में महत्वपूर्ण गिरावट देखी गई, जिसने संभवतः इस शर्करा के सेवन को इतना धीमा कर दिया कि जाइलोस को एक साथ खाया जा सके। शोधकर्ताओं ने यह भी परीक्षण किया कि ये बैक्टीरिया दो शर्कराओं के मिश्रण से लैक्टिक एसिड (एक रसायन जिसका उपयोग बायोडिग्रेडेबल प्लास्टिक बनाने के लिए किया जाता है) का उत्पादन कितनी अच्छी तरह कर सकते हैं। इंजीनियर किए गए स्ट्रेन मूल, अनमॉडिफाइड बैक्टीरिया की तुलना में बेहतर प्रदर्शन करते रहे। हटाए गए ब्रेक वाले स्ट्रेन ने अपने द्वारा खपत की गई शर्करा के सापेक्ष उच्चतम मात्रा में लैक्टिक एसिड का उत्पादन किया, जो 56.76 प्रतिशत के मूल स्ट्रेन की तुलना में 72.76 प्रतिशत की उपज तक पहुँच गया। एक अन्य स्ट्रेन, जिसे लगातार जाइलोस-खाने वाली मशीनरी बनाने के लिए मजबूर किया गया था, ने भी 63 प्रतिशत की उपज के साथ मजबूत परिणाम दिखाए।
अध्ययन से पता चलता है कि केवल बैक्टीरिया को अधिक जाइलोस-खाने वाले उपकरण बनाने के लिए मजबूर करने से मदद मिली, लेकिन दोनों शर्कराओं को एक साथ खाने का सबसे प्रभावी तरीका यह था कि बैक्टीरिया कैसे ग्लूकोज को महसूस करते हैं और उसका उपभोग करते हैं, इसमें बदलाव किया जाए। पसंदीदा शर्करा के सेवन को धीमा करके, बैक्टीरिया दूसरी शर्करा तक बहुत पहले पहुँचने में सक्षम हुए। इस दृष्टिकोण ने टीम को एक सूक्ष्मजीव कारखाना बनाने में सक्षम बनाया जो पौधों के कचरे पर अधिक कुशलता से काम करता है। निष्कर्ष बताते हैं कि बैक्टीरिया के आनुवंशिक कोड में छोटे, विशिष्ट परिवर्तन करके, हम पौधों पर आधारित फीडस्टॉक की पूरी क्षमता को अनलॉक कर सकते हैं, जिससे एक जटिल शर्करा मिश्रण को लंबी देरी के बिना मूल्यवान उत्पादों में बदला जा सके। यह कार्य भविष्य की सामग्रियां बनाने के लिए हमारे नवीकरणीय संसाधनों के उपयोग को बेहतर बनाने का एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है।
अपने क्षेत्र के पेपरों की भीड़ में उलझे हुए हैं?
आपके रिसर्च कीवर्ड से मेल खाने वाले सबसे नए और अलग सोच वाले पेपरों का रोज़ाना Digest पाएँ—तकनीकी सारांश के साथ, आपकी भाषा में।