Two actinobacterial G protein systems control multicellular mycelial growth and morphology in Streptomyces venezuelae

बैक्टीरिया की अक्सर एक अकेले यात्री के रूप में कल्पना की जाती है, जो अपने पर्यावरण में तैरते हुए एकल कोशिका के रूप में होते हैं और अपने आप विभाजित होते हैं। फिर भी कई बैक्टीरिया विशाल, सहकारी समुदायों के रूप में रहते हैं, जो जटिल नेटवर्क बनाते हैं जो एक पौधे की जड़ों या मकड़ी के जाल के धागों के समान होते हैं। इनमें से ही एक स्ट्रैप्टोमायसेट्स (streptomycetes) है, जो मिट्टी में रहने वाले बैक्टीरिया का एक समूह है जो हाइफे (hyphae) नामक लंबे, शाखाओं वाले तंतुओं के रूप में बढ़ते हैं। ये तंतु आपस में जुड़कर एक बहुकोशिकीय माइसेलियम (mycelium) बनाते हैं, जो एक जीवित जाल की तरह है जो पोषक तत्वों के लिए मिट्टी की खोज करता है। इस नेटवर्क के कार्य करने के लिए, व्यक्तिगत तंतुओं को अपने विकास में समन्वय करने की आवश्यकता होती है। उन्हें यह जानने की आवश्यकता है कि कहाँ विस्तार करना है, कब शाखाएँ बनानी हैं, और सबसे महत्वपूर्ण बात यह कि आपस में टकराने से कैसे बचना है ताकि एक उलझा हुआ, अक्षम ढेर न बन जाए। इस समन्वय के लिए एक परिष्कृत आंतरिक संचार प्रणाली की आवश्यकता होती है, जो कोशिकाओं को अपने पड़ोसियों को महसूस करने और उसके अनुसार अपने आकार और दिशा को समायोजित करने का एक तरीका प्रदान करे।

मिट्टी में, जहाँ भोजन अक्सर दुर्लभ और असमान रूप से वितरित होता है, एक बहुकोशिकीय नेटवर्क को कुशलतापूर्वक व्यवस्थित करने की क्षमता अस्तित्व के लिए एक महत्वपूर्ण मामला है। यदि तंतु बेतरतीब ढंग से बढ़ते हैं, तो वे एक-दूसरे को विस्थापित कर सकते हैं, ऊर्जा बर्बाद कर सकते हैं और प्रभावी ढंग से जमीन को कवर करने में विफल हो सकते हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि बैक्टीरिया एक-दूसरे से बात करने के लिए रासायनिक संकेतों का उपयोग करते हैं, लेकिन विशिष्ट तंत्र जो एक तंतुओं के नेटवर्क को सतह पर बढ़ते समय एक स्वच्छ, संगठित संरचना बनाए रखने की अनुमति देते हैं, वे एक रहस्य बने हुए हैं। हालिया शोध ने इन बैक्टीरिया में पाए जाने वाले जीनेटिक टूल्स के एक अद्वितीय सेट की ओर ध्यान आकर्षित किया है, जिन्हें G प्रोटीन सिस्टम के रूपas जाना जाता है। ये आणविक मशीनें हैं जो स्विच की तरह कार्य करती हैं, जो पर्यावरण के जवाब में जीन को चालू या बंद करती हैं। विशेष रूप से स्ट्रैप्टोमायसेस वेनेजुएला (Streptomyces venezuelae) नामक बैक्टीरिया में, इन प्रणालियों के आठ अलग-अलग संस्करण हैं, लेकिन अब तक, कोई नहीं जानता था कि उनमें से अधिकांश वास्तव में क्या कर रहे थे और उन्होंने इन बैक्टीरिया को उनके जटिल, बहुकोशिकीय घर बनाने में कैसे मदद की।

स्वीडन के लुंड विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम इस पहेली को सुलझाने के लिए व्यवस्थित रूप से इन आठ में से प्रत्येक जेनेटिक सिस्टम को एक-एक करके हटाने के उद्देश्य से आगे बढ़ी, ताकि यह देखा जा सके कि बैक्टीरिया के साथ क्या होता है। उन्होंने इन संशोधित बैक्टीरिया को विभिन्न प्रकार के खाद्य पदार्थों पर उगाया, जिसमें पोषक तत्वों से भरपूर जेल से लेकर बहुत कम, न्यूनतम सतहों तक शामिल थे जो मिट्टी की कठोर स्थितियों की नकल करते हैं। उन्होंने पाया कि इनमें से दो प्रणालियाँ, एक साथ मिलकर, बैक्टीरियल नेटवर्क के वास्तुकार (architects) के रूप में कार्य करती हैं। जब शोधकर्ताओं ने इन विशिष्ट प्रणालियों दोनों को हटा दिया, तो बैक्टीरिया ने खुद को व्यवस्थित करने की अपनी क्षमता खो दी। एक साफ, समान परत में फैलने के बजाय, जहाँ प्रत्येक तंतु का अपना स्थान होता है, उत्परिवर्तित (mutant) बैक्टीरिया आपस में गुच्छे बनाने लगे। उनके तंतु एक-दूसरे से चिपक गए, जिससे वे एक नाजुक जाल के बजाय एक उलझे हुए ऊन के गोले की तरह मोटे, रस्सी जैसे बंडलों में बदल गए।

यह गुच्छे बनाने वाला व्यवहार केवल बैक्टीरिया के गलती से आपस में चिपकने का मामला नहीं था। शोधकर्ताओं ने देखा कि उत्परिवर्तित तंतु सीधी, कठोर रेखाओं में बढ़े, जबकि वाइल्ड-टाइप (wild-type) बैक्टीरिया कोमल, घुमावदार वक्रों में बढ़े। वाइल्ड-टाइप बैक्टीरिया अपने पड़ोसियों से सक्रिय रूप से बचते हुए प्रतीत होते थे, और उपलब्ध सतह को समान रूप से कवर करने के लिए अन्य तंतुओं के बीच खाली स्थानों में बढ़ते थे। इस "स्व-परिहार" (self-avoidance) ने उन्हें उपलब्ध भोजन को अधिक कुशलता से खोजने की अनुमति दी। उत्परिवर्तित बैक्टीरिया, जिनमें ये दो प्रमुख जेनेटिक सिस्टम नहीं थे, इस क्षमता को खो चुके थे। वे सीधे बढ़े और जो कुछ भी उनके पास था, उससे चिपक गए, जिसमें अन्य उत्परिवर्तित तंतु और उनके साथ उगाए गए वाइल्ड-टाइप तंतु भी शामिल थे। शोधकर्ताओं ने परीक्षण किया कि क्या बैक्टीरिया हवा या पानी में अदृश्य रसायन छोड़ रहे थे जिसके कारण यह चिपकाव हुआ, लेकिन उन्हें ऐसे किसी भी संकेत का कोई प्रमाण नहीं मिला। इसके बजाय, समस्या उत्परिवर्तित कोशिकाओं के भीतर ही प्रतीत हुई; उनकी सतह बदल गई थी, जिससे वे चिपचिपे और गुच्छे बनाने के प्रति संवेदनशील हो गए थे।

उत्परिवर्तित बैक्टीरिया में सक्रिय जीन को देखकर, वैज्ञानिकों ने पता लगाया कि ऐसा क्यों हो रहा था। उत्परिवर्तित बैक्टीरिया ने कोशिका भित्ति (cell wall) बनाने और कोशिका के बाहर शर्करा की कोटिंग बनाने के लिए जिम्मेदार जीनों के एक बड़े समूह की तीव्रता बढ़ा दी थी। सतह की सामग्रियों का यह अत्यधिक उत्पादन संभवतः तंतुओं को चिपचिपा बना देता था, जिससे वे एक-दूसरे से चिपक जाते थे। हालाँकि, कहानी केवल सूक्ष्म स्तर के गुच्छे बनने तक ही सीमित नहीं थी। शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि बड़े पैमाने पर उत्परिवर्तित बैक्टीरिया का व्यवहार अलग था। जबकि वाइल्ड-टाइप बैक्टीरिया डिश की सतह पर एक पतली, गंजी दिखने वाली फिल्म के रूप में फैल जाते थे—जिसे अन्वेषणात्मक विकास (exploratory growth) कहा जाता है—उत्परिवर्तित बैक्टीरिया ऐसा करने में विफल रहे। इसके बजाय, उन्होंने घने, रोएंदार कॉलोनियां बनाईं जो ऐसी दिख रही थीं जैसे वे हवा में ऊपर की ओर बढ़ने की कोशिश कर रहे हों, भले ही ऐसी वृद्धि के लिए स्थितियां अनुकूल न हों।

यह समझने के लिए कि उत्परिवर्तित बैक्टीरिया अन्वेषण करने में क्यों विफल हो रहे थे, शोधकर्ताओं ने उन बैक्टीरिया की तलाश की जिन्होंने स्वतः ही इस समस्या को ठीक कर लिया था। उन्होंने पाया कि कुछ उत्परिवर्तित बैक्टीरिया ने नए उत्परिवर्तन प्राप्त कर लिए थे जिसने उन्हें फिर से फैलने में सक्षम बनाया, लगभग वाइल्ड टाइप की तरह। जब उन्होंने इन "सप्रेसर" (suppressor) बैक्टीरिया के डीएनए का विश्लेषण किया, तो उन्होंने पाया कि सुधार अक्सर जीनों के एक अलग सेट में बदलाव से जुड़ा था जो साइक्लिक-डी-जीएमपी (cyclic-di-GMP) नामक एक रासायनिक संकेत को नियंत्रित करते हैं। यह संकेत एक मास्टर रेगुलेटर है जो बैक्टीरिया को बताता है कि उसे कब बढ़ना बंद करना है और स्पोर्स (spores) बनाना शुरू करना है। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि मूल उत्परिवर्तित बैक्टीरिया बहुत तेज़ी से बढ़ रहे थे और बहुत जल्दी परिपक्व हो रहे थे। क्योंकि वे स्पोर्स बनाने की जल्दी में थे, इसलिए उन्होंने सतह पर ठीक से फैलने और अन्वेषण करने के लिए पर्याप्त समय नहीं लिया। हटाए गए दो जेनेटिक सिस्टम एक ब्रेक की तरह काम कर रहे थे, जो बैक्टीरिया को एक उचित नेटवर्क बनाने के लिए पर्याप्त समय तक वानस्पतिक (vegetative), बढ़ते हुए अवस्था में रखते थे।

अध्ययन ने खुलासा किया कि इन दो जेनेटिक सिस्टम के दो स्पष्ट रूप से अलग कार्य हैं। एक कार्य तंतुओं के भौतिक आकार को नियंत्रित करना और उन्हें आपस में चिपकने से रोकना है, जिससे नेटवर्क खुला और संगठित बना रहे। दूसरा कार्य बैक्टीरिया को बहुत जल्दी परिपक्व होने से रोकना है, जिससे वे अपने पर्यावरण का पूरी तरह से अन्वेषण कर सकें। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि वे परिपक्वता संकेतों को बदलकर अन्वेषण की समस्या को ठीक कर सकते थे, लेकिन इससे चिपके रहने की समस्या ठीक नहीं हुई। जब बैक्टीरिया को लंबे समय तक बढ़ने दिया गया, तब भी तंतु आपस में चिपके रहे। इसका अर्थ है कि जिस तरह से बैक्टीरिया अपना आकार बनाते हैं और जिस तरह से वे तय करते हैं कि कब बढ़ना या परिपक्व होना है, वे अलग-अलग मार्गों द्वारा नियंत्रित होते हैं, भले ही दोनों का प्रबंधन एक ही जोड़ी जेनेटिक सिस्टम द्वारा किया जाता हो।

यह कार्य एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है कि कैसे एक सरल बैक्टीरिया बहुकोशिकीय समुदाय के रूप में रहने के जटिल कार्य को प्रबंधित करता है। यह दिखाता है कि बैक्टीरिया केवल यादृच्छिक रूप से नहीं बढ़ते हैं; वे अपने पर्यावरण को समझने, अपने आकार को समायोजित करने और अपने पड़ोसियों के साथ समन्वय करने के लिए विशिष्ट जेनेटिक टूल्स का उपयोग करते हैं। इन उपकरणों के बिना, नेटवर्क एक उलझे हुए ढेर में बदल जाता है, और कॉलोनी अपने परिवेश का प्रभावी ढंग से अन्वेषण करने में विफल रहती है। निष्कर्ष बताते हैं कि एक स्वच्छ, संगठित संरचना बनाए रखने की क्षमता भोजन खोजने की क्षमता जितनी ही महत्वपूर्ण है। इन तंत्रों को समझकर, वैज्ञानिक यह देख सकते हैं कि कैसे इन प्राचीन जीवों ने मिट्टी की जटिल, प्रतिस्पर्धी दुनिया में फलने-फूलने के लिए खुद को विकसित किया है, और तंतुओं के जटिल शहर बनाए हैं जो पहले की तुलना में कहीं अधिक संगठित हैं।