In silico genome mining of biosynthetic gene clusters in the marine actinobacteria Salinispora and identification of novel secondary metabolites

समुद्र की गहराइयों में, जहाँ सूर्य का प्रकाश फीका पड़ जाता है और दबाव बढ़ता जाता है, एक्टिनोमायसेट्स (actinomycetes) नामक सूक्ष्म बैक्टीरिया सक्रिय रासायनिक कारखाने हैं। दशकों से, वैज्ञानिक जानते हैं कि ये सूक्ष्मजीव विविध प्रकार के प्राकृतिक यौगिकों का उत्पादन करते हैं, जिनमें से कई मनुष्यों के लिए जीवन रक्षक दवाएं बन चुके हैं, जिनमें एंटीबायोटिक्स और कैंसर के उपचार शामिल हैं। ये यौगिक यादृच्छिक (random) नहीं हैं; इन्हें बैक्टीरिया के डीएनए के भीतर छिपे सटीक आनुवंशिक ब्लूप्रिंट के अनुसार बनाया जाता है। ये ब्लूप्रिंट समूहों में व्यवस्थित होते हैं जिन्हें बायोसैंथेटिक जीन क्लस्टर (biosynthetic gene clusters) कहा जाता है। एक जीन क्लस्टर को किसी विशिष्ट रासायनिक उपकरण के निर्माण के लिए एक पूर्ण निर्देश पुस्तिका के रूप में समझें। जबकि वैज्ञानिकों ने मानक कंप्यूटर प्रोग्रामों का उपयोग करके कई ऐसी मैनुअल को पढ़ना सीख लिया है, बहुत सी मैनुअल अभी भी अपठित रह गई हैं। ये छिपे हुए निर्देश अक्सर ऐसे रसायन बनाते हैं जो हमारे ज्ञात रसायनों से बिल्कुल अलग दिखते हैं, और वे उन बीमारियों को ठीक करने की कुंजी हो सकते हैं जिनका वर्तमान में कोई इलाज नहीं है। चुनौती यह रही है कि पुराने कंप्यूटर प्रोग्राम केवल उन्हीं मैनुअल पर प्रशिक्षित थे जिन्हें हम पहले से समझते थे, इसलिए वे अजीब और अपरिचित मैनुअल को पहचान नहीं पाते थे।

एक टीम ने Salinispora नामक समुद्री बैक्टीरिया के एक विशिष्ट समूह में इन छिपी हुई मैनुअल को खोजने के लिए अब एक अधिक उन्नत दृष्टिकोण अपनाया है। ये बैक्टीरिया अद्वितीय हैं क्योंकि समुद्री जल के बिना वे जीवित नहीं रह सकते और उष्णकटिबंधीय समुद्री तलछटों (sediments) में पाए जाते हैं। वे शक्तिशाली दवाओं के उत्पादन के लिए प्रसिद्ध हैं, फिर भी शोधकर्ताओं को संदेह था कि उनके जीनोम में अभी भी कई रहस्य छिपे हुए हैं। उन्हें उजागर करने के लिए, टीम ने डीप लर्निंग (deep learning) नामक एक नए प्रकार के आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस का उपयोग किया। कठोर नियमों का पालन करने वाले पुराने प्रोग्रामों के विपरीत, यह डीप लर्निंग सिस्टम हजारों उदाहरणों का अध्ययन करके सीखता है, जिससे यह डीएनए में उन पैटर्न को पहचान सकता है जो रासायनिक कारखानों जैसे दिखते हैं, भले ही वे किसी ज्ञात मैनुअल से मेल न खाते हों। शोधकर्ताओं ने इस स्मार्ट सिस्टम को Salinispora की आठ अलग-अलग प्रजातियों के आनुवंशिक कोड पर लागू किया। वे यह देखना चाहते थे कि क्या वे उन शांत, छिपे हुए रासायनिक कारखानों को खोज सकते हैं जिन्हें पारंपरिक तरीकों ने अनदेखा कर दिया था।

परिणामों ने एक ऐसा परिदृश्य प्रकट किया जो पहले की कल्पना से कहीं अधिक समृद्ध था। जहाँ मानक कंप्यूटर उपकरणों ने बड़ी संख्या में जीन क्लस्टर खोजे, वहीं डीप लर्निंग सिस्टम ने 138 अतिरिक्त क्लस्टर खोज निकाले जिन्हें पुराने उपकरणों ने पूरी तरह से मिस कर दिया था। ये केवल मामूली बदलाव नहीं थे; ये रासायनिक कारखानों के पूरी तरह से नए प्रकार थे। जब शोधकर्ताओं ने अपनी समानताओं के आधार पर इन नई खोजों को समूहों में विभाजित किया, तो उन्होंने जीन क्लस्टरों के 11 विशिष्ट परिवारों की पहचान की। इन परिवारों के भीतर, उन्होंने 52 विशिष्ट जीन क्लस्टर पाए जो "ऑर्फन्स" (orphans) प्रतीत होते थे, जिसका अर्थ है कि उनका ज्ञात प्राकृतिक उत्पादों के किसी भी डेटाबेस में कोई मिलान नहीं था। यह सुझाव देता है कि Salispora बैक्टीरिया उन विविध प्रकार के अद्वितीय रसायनों को उत्पन्न करने में सक्षम हैं जिनसे विज्ञान अब तक अनभिज्ञ है। अध्ययन इन छिपे हुए कारखानों के चार मुख्य प्रकारों पर केंद्रित था: वे जो जटिल शर्करा-आधारित अणुओं का निर्माण करते हैं, वे जो पेप्टाइड-आधारित श्रृंखलाएं बनाते हैं, वे जो दोनों विधियों का मिश्रण करते हैं, और वे जो पॉलीकेटाइड्स (polyketides) का निर्माण करते हैं, जो यौगिकों का एक वर्ग है जिसका उपयोग अक्सर चिकित्सा में किया जाता है।

इन छिपे हुए कारखानों से क्या उत्पन्न हो सकता है, इसे समझने के लिए, शोधकर्ताओं ने संभावित रासायनिक संरचनाओं में अनुवाद करने के लिए कंप्यूटर मॉडल का उपयोग किया। इस प्रक्रिया ने 280 विशिष्ट रासायनिक आकृतियाँ उत्पन्न कीं। जब उन्होंने इन आकृतियों की तुलना ज्ञात रसायनों के एक विशाल वैश्विक डेटाबेस से की, तो उन्होंने पाया कि दो-तिहाई से अधिक आकृतियों में मौजूदा रिकॉर्डों के साथ कम समानता थी, जो यह दर्शाता है कि वे काफी हद तक नई थीं। शोधकर्ताओं ने यह अनुमान लगाने के लिए सिमुलेशन चलाया कि ये नए रसायन क्या कर सकते हैं। परिणाम उत्साहजनक थे। सिमुलेशन ने सुझाव दिया कि इनमें से कई यौगिक शक्तिशाली अवरोधक (inhibitors) के रूप में कार्य कर सकते हैं, जो विशिष्ट एंजाइमों के काम करने से रोकते हैं, या प्रतिरक्षा प्रणाली को नियंत्रित कर सकते हैं। कुछ ने कैंसर कोशिकाओं को मारने की क्षमता दिखाई, जबकि अन्य बैक्टीरिया और कवक (fungi) से लड़ने में सक्षम दिखे। सबसे प्रचुर मात्रा में अनुमानित नए रासायनिक संरचना का प्रकार उन हाइब्रिड कारखानों से आया जो पेप्टाइड और पॉलीकेटाइड निर्माण विधियों को मिलाते हैं, एक ऐसा संयोजन जो अत्यधिक जटिल और शक्तिशाली दवाओं के निर्माण के लिए जाना जाता है।

अध्ययन ने यह भी देखा कि ये बैक्टीरिया एक-दूसरे से कैसे संबंधित हैं और उनके आनुवंशिक उपकरण कैसे विकसित हुए हैं। आठ प्रजातियों के डीएनए की तुलना करके, शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि हालांकि वे जीन के एक सामान्य कोर सेट को साझा करते हैं, प्रत्येक प्रजाति ने अपने स्वयं के अद्वितीय अतिरिक्त जीन विकसित किए हैं। यह लचीलापन उन्हें समुद्र तल के विभिन्न हिस्सों के अनुकूल होने की अनुमति देता है। छिपे हुए जीन क्लस्टर विभिन्न प्रजातियों में संरक्षित पाए गए, जो यह सुझाव देते हैं कि ये रासायनिक कारखाने प्राचीन हैं और बैक्टीरिया के अस्तित्व के लिए महत्वपूर्ण हैं। हालाँकि, वे विशिष्ट रसायन जो वे उत्पन्न करते हैं, थोड़े भिन्न हो सकते हैं, जिससे बैक्टीरिया अपने भीड़भाड़ वाले समुद्री परिवेश में प्रभावी ढंग से प्रतिस्पर्धा कर सकते हैं। इतने सारे छिपे हुए कारखानों की उपस्थिति, विशेष रूप से वे जो शर्करा और पेप्टाइड्स का उत्पादन करते हैं, यह संकेत देती है कि इन बैक्टीरिया के पास अपने वातावरण के साथ बातचीत करने के लिए एक परिष्कृत रासायनिक भाषा है, एक ऐसी भाषा जिसे मनुष्य अभी समझना शुरू ही कर रहे हैं।

इस कार्य का अर्थ यह नहीं है कि नई दवाएं कल फार्मेसी की अलमारियों पर तैयार होंगी। निष्कर्ष कंप्यूटर भविष्यवाणियों और सिमुलेशन पर आधारित हैं। शोधकर्ताओं ने ब्लूप्रिंट की पहचान की है और उत्पादों का अनुमान लगाया है, लेकिन वास्तविक रसायनों को अभी तक प्रयोगशाला में अलग या परीक्षित नहीं किया गया है। अगला कदम, जैसा कि शोधकर्ता बताते हैं, इन कंप्यूटर-जनित संकेतों को वास्तविक दुनिया में सत्यापित करना है। इसमें बैक्टीरिया को लैब में उगाना, शांत जीन क्लस्टरों को सक्रिय करना और नए यौगिकों को उनकी संरचना और मानव कोशिकाओं पर उनके प्रभावों की पुष्टि करने के लिए भौतिक रूप से अलग करना शामिल होगा। तब तक, यह अध्ययन एक विस्तृत मानचित्र के रूप में कार्य करता है, जो वैज्ञानिकों को समुद्र के सूक्ष्मजीव जगत के सबसे आशाजनक स्थानों की ओर इशारा करता है जहाँ अगली पीढ़ी की दवाएं मिलने की प्रतीक्षा कर रही हैं। Salispora बैक्टीरिया, यह स्पष्ट है, अभी भी रासायनिक विविधता का एक खजाना छिपाए हुए हैं जो अब प्रकाश में आ रहा है।