Genome-centered characterization of the microbial communities in llamas’ forestomach via whole-genome shotgun metagenomics

एंडीज पर्वतों में ऊँचाई पर, जहाँ हवा विरल है और घास अक्सर सूखी और कठोर होती है, लामा वहाँ फलते-फूलते हैं जहाँ अन्य पशुधन संघर्ष कर सकते हैं। ये जानवर केवल जीवित रहने वाले जीव नहीं हैं; वे इस क्षेत्र की अल्प, निम्न-गुणवत्ता वाली वनस्पति को मांस और रेशे (फाइबर) में बदलने के माहिर हैं जो संपूर्ण समुदायों का भरण-पोषण करते हैं। इस क्षमता का रहस्य उनके पेट के भीतर छिपा हुआ है। गायों और भेड़ों की तरह, लामा भी जुगाली करने वाले (रुमिनेंट्स) होते हैं, जिसका अर्थ है कि उनके वास्तविक पेट से पहले एक विशेष किण्वन कक्ष (फरमेंटेशन चैंबर) होता है। यह कक्ष एक सक्रिय पारिस्थितिकी तंत्र है जो सूक्ष्मजीवों से भरा हुआ है। ये नन्हे जीव बाहरी पाचन अंगों के रूप में कार्य करते हैं, जो उस जटिल, रेशेदार पादप सामग्री को तोड़ते हैं जिसे लामा स्वयं पचा नहीं सकता। एक गर्म घर और भोजन की निरंतर आपूर्ति के बदले में, ये सूक्ष्मजीव कठोर पादप रेशों को वाष्पशील फैटी एसिड (वोलेटाइल फैटी एसिड्स) में परिवर्तित करते हैं। ये फैटी एसिड प्राथमिक ईंधन स्रोत हैं जो लामा के शरीर को शक्ति प्रदान करते हैं। जबकि वैज्ञानिकों ने लंबे समय से गायों के गट माइक्रोब्स का अध्ययन किया है, लामा के भीतर रहने वाले विशिष्ट समुदाय काफी हद तक एक रहस्य बना हुआ है, जो अज्ञात प्रजातियों और कार्यों का एक ऐसा 'ब्लैक बॉक्स' है जिसे शोधकर्ताओं ने अभी-หรือ तो खोलना शुरू ही किया है।

वैज्ञानिकों की एक टीम अर्जेंटीना में पांच नर लामाओं के फोरस्टोमैक (अग्र-आमाशय) में रहने वाले सूक्ष्मजीवों के जेनेटिक कोड को सीधे देखकर इस छिपी हुई दुनिया को रोशन करने के लिए निकल पड़ी। प्रयोगशाला में इन बैक्टीरिया को उगाने के बजाय—जो कि एक कठिन कार्य है क्योंकि अधिकांश जीव अपने मेजबान के बाहर जीवित नहीं रह सकते—शोधकर्ताओं ने 'मेटाजेनोमिक्स' नामक तकनीक का उपयोग किया। उन्होंने पेट की सामग्री के नमूने एकत्र किए, मौजूद सभी डीएनए को निकाला, और दो अलग-अलग उच्च-गति वाली रीडिंग तकनीकों का उपयोग करके उनका अनुक्रमण (सीक्वेंसिंग) किया। एक तकनीक उच्च सटीकता के साथ जेनेटिक कोड के छोटे टुकड़ों को पढ़ती है, जबकि दूसरी बहुत लंबी स्ट्रैंड्स को पढ़ती है, हालांकि इसमें त्रुटियां थोड़ी अधिक हो सकती हैं। इन दोनों प्रकार के डेटा को जोड़कर, शोधकर्ता सूक्ष्मजीव समुदाय के जेनेटिक ब्लूप्रिंट को जोड़ने, 165 विशिष्ट जीनोमों का पुनर्निर्माण करने में सक्षम हुए। इस दृष्टिकोण ने उन्हें बिना सूक्ष्मदर्शी से जीवों को देखे, यह पहचानने की अनुमति दी कि वहां कौन रह रहा था और वे क्या करने में सक्षम हैं।

परिणामों ने एक सूक्ष्मजीवी दुनिया का खुलासा किया जो मवेशियों में पाए जाने वाले सूक्ष्मजीवों से आश्चर्यजनक रूप से भिन्न है। सबसे प्रचुर मात्रा में पाया जाने वाला बैक्टीरिया समूह 'बैक्टेरोइडिया' (Bacteroidia) नामक वर्ग से संबंधित था, जिसके बाद 'बैसिली' (Bacilli) और 'क्लोस्ट्रिडिया' (Clostridia) नामक समूह आए। इस खोज को जो बात विशेष रूप से उल्लेखनीय बनाती थी, वह थी नवीनता का स्तर। टीम द्वारा पुनर्निर्मित 165 जीनोमों में से, 76 प्रतिशत का मिलान विज्ञान द्वारा वर्णित किसी भी प्रजाति से नहीं हो सका। यह इंगित करता है कि लामा का फोरस्टोमैक जीवन की एक विशाल, अनछुई विविधता को धारण करता है जो एंडियन वातावरण की अनूठी चुनौतियों से निपटने के लिए विशेष रूप से विकसित हुई है। जब शोधकर्ताओं ने इन नए जीनोमों की तुलना गायों और ऊंटों के ज्ञात रुमेन माइक्रोब्स के डेटाबेस से की, तो उन्होंने पाया कि केवल कुछ ही प्रजातियां साझा थीं। लामा का अधिकांश आंतरिक कार्यबल इन जानवरों के लिए अद्वितीय प्रतीत होता है।

अध्ययन ने उन चयापचय तंत्रों (मेटाबोलिक मैकेनिज्म) का भी मानचित्रण किया जिनका उपयोग ये सूक्ष्मजीव भोजन को संसाधित करने के लिए करते हैं। शोधकर्ताओं ने उन जीन का एक समृद्ध संग्रह पाया जो जटिल पौधों की शर्करा, जैसे सेलुलोज और हेमीसेलुलोज को तोड़ने वाले एंजाइम बनाने के लिए जिम्मेदार हैं, जो कि लामा द्वारा खाई जाने वाली घास के मुख्य संरचनात्मक घटक हैं। एक बार जब इन कठोर रेशों को छोटे शुगर यूनिट्स में तोड़ दिया जाता है, तो सूक्ष्मजीव उन्हें पाइरूवेट (pyruvate) में परिवर्तित कर देते हैं, जो एक रासायनिक मध्यवर्ती है जिसे फिर उस वाष्पशील फैटी एसिड में बदल दिया जाता है जिसकी लामा को ऊर्जा के लिए आवश्यकता होती है। टीम ने एसीटेट, ब्यूटिरेट और प्रोपियोनेट (तीन मुख्य ऊर्जा स्रोत) के उत्पादन के लिए विशिष्ट मार्गों की पहचान की। दिलचस्प बात यह है कि अध्ययन ने सुझाव दिया कि बैक्टीरिया के विभिन्न समूह इस प्रक्रिया में अलग-अलग भूमिकाएं निभाते हैं। बैक्टेरोइडिया समूह पादप सामग्री को प्रोपियोनेट और ब्यूटिरेट में बदलने के लिए प्राथमिक इंजन के रूप में दिखाई दिया, जबकि क्लोस्ट्रिडिया समूह लैक्टेट नामक उपोत्पाद को प्रोपियोनेट में बदलने में विशेषज्ञ प्रतीत हुआ।

शोधकर्ताओं ने मीथेन के उत्पादन की भी जांच की, जो एक शक्तिशाली ग्रीनहाउस गैस है जिसे जुगाली करने वाले जीव डकार के माध्यम से छोड़ते हैं। उन्होंने आर्किया (archaea) के दो जीनोम का पुनर्निर्माण किया, जो बैक्टीरिया से अलग एक प्रकार के एककोशिकीय जीव हैं और मीथेन उत्पन्न करने में सक्षम हैं। हालांकि, तस्वीर सीधी नहीं थी। पुनर्निconstructed किए गए दो आर्कियल जीनोमों में से एक उस समूह से संबंधित था जो अन्य जानवरों के रुमेन कैटलॉग में आमतौर पर नहीं पाया जाता है। इसके अलावा, डेटा ने सुझाव दिया कि मीथेन का उत्पादन हमेशा इन ज्ञात मीथेन-उत्पादक जीवों की संख्या के साथ सीधा संबंध नहीं रखता है। एक नमूने में जहां मीथेन का स्तर कम था, वहां एक विशिष्ट मीथेन-उत्पादक आर्कियोन की प्रचुरता काफी अधिक थी। यह सुझाव देता है कि लामा में मीथेन का उत्पादन एक जटिल प्रक्रिया है जिसमें कई प्रकार के सूक्ष्मजीव शामिल हैं और शायद मवेशियों में देखे जाने वाले रासायनिक पथों से भिन्न प्रक्रियाएं हैं।

हालांकि अध्ययन को तकनीकी सीमाओं का सामना करना पड़ा, जैसे कि अत्यधिक खंडित डीएनए मिश्रण से पूर्ण जीनोम को असेंबल करने में कठिनाई, लेकिन इसके निष्कर्ष लामा माइक्रोबायोम का एक आधारभूत मानचित्र प्रदान करते हैं। अनुसंधान पुष्टि करता है कि ये जानवर खराब गुणवत्ता वाले चारे से ऊर्जा निकालने के लिए सूक्ष्मजीवों के एक विविध और काफी हद तक अज्ञात समुदाय पर निर्भर हैं। पौधों के रेशों को तोड़ने में शामिल विशिष्ट जीन और मार्गों की पहचान करके, यह अध्ययन उन अनूठी जैविक अनुकूलन क्षमताओं को उजागर करता है जो लामा को कठिन, उच्च-ऊंचाई वाले वातावरण में फलने-फूलने में मदद करती हैं। सूक्ष्मजीव जीनोम और उनके कार्यों का यह नया कैटलॉग यह समझने के लिए एक मूल्यवान संसाधन है कि ये जानवर कैसे जीवित रहते हैं और संभावित रूप से एंडीज में कैमिलिड (ऊंट परिवार के जीव) के स्वास्थ्य और उत्पादकता को बेहतर बनाने के प्रयासों का मार्गदर्शन कर सकता है।