Metabolic decoupling of growth and hydrolytic enzyme production in Bacillus amyloliquefaciens SLBD under different carbon sources
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि *Bacillus amyloliquefaciens* SLBD कार्बन स्रोत के आधार पर विकास और हाइड्रोलिटिक एंजाइम उत्पादन के बीच चयापचय विखंडन (metabolic decoupling) प्रदर्शित करता है, जिसमें ग्लिसरॉल बायोमास और प्रोटीज/लाइपेज की उपज को अधिकतम करता है जबकि इनुलिन हाइड्रोलेट सेलुलेस गतिविधि को प्रेरित करता है, जिससे लागत प्रभावी बहु-एंजाइम प्रणालियों के लिए इन एंजाइमों के चयनात्मक आंशिक शुद्धिकरण को सक्षम बनाया जा सके।
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बैक्टीरिया की सूक्ष्म दुनिया में, जीवित रहना अक्सर जटिल सामग्रियों को सरल पोषक तत्वों में तोड़ने की क्षमता पर निर्भर करता है। ऐसा करने के लिए, कई बैक्टीरिया विशेष उपकरण स्रावित करते हैं जिन्हें एंजाइम कहा जाता है। ये जैविक मशीनें कैंची या रासायनिक विलायक (solvents) की तरह काम करती हैं, जो प्रोटीन, वसा और पौधों के रेशों के बड़े अणुओं को काटकर अलग करती हैं ताकि कोशिका उन्हें खा सके। वैज्ञानिकों और उद्योगों के लिए, ये एंजाइम अविश्वसनीय रूप से मूल्यवान हैं। इनका उपयोग ठंडे पानी में काम करने वाले कपड़े धोने के डिटर्जेंट से लेकर दवाओं और बायोफ्यूल (जैव ईंधन) तक सब कुछ बनाने में किया जाता है। हालाँकि, बैक्टीरिया को इन उपकरणों का बड़े पैमाने पर उत्पादन करने के लिए प्रेरित करना कठिन है। बैक्टीरिया को बढ़ने के लिए सही भोजन दिया जाना चाहिए, लेकिन वे जो भोजन खाते हैं, वह अक्सर यह बदल देता है कि वे अपने स्वयं के शरीर के निर्माण पर ध्यान केंद्रित करेंगे या इन उपयोगी एंजाइमों के निर्माण पर। यह एक नाजुक संतुलन बनाता है: यदि भोजन पचाने में बहुत आसान है, तो बैक्टीरिया तेजी से बढ़ सकते हैं लेकिन एंजाइम बनाना बंद कर सकते हैं; यदि भोजन बहुत कठिन है, तो वे एंजाइम तो बना सकते हैं लेकिन उपयोगी होने के लिए बहुत धीरे बढ़ेंगे।
इंडोनेशिया के आईपीबी (IPB) विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने 'बैसिलस एमाइलोलिक्विफैसिएन्स' (Bacillus amyloliquefaciens) SLBD नामक बैक्टीरिया के एक विशिष्ट स्ट्रेन का उपयोग करके इस पहेली को सुलझाने का प्रयास किया। यह बैक्टीरिया मूल रूप से पशुओं के मल (feces) में पाया गया था, जो एक ऐसा वातावरण है जहाँ जटिल अपशिष्ट प्रचुर मात्रा में होता है, जिससे यह संकेत मिलता है कि यह स्वाभाविक रूप से कठिन सामग्रियों को तोड़ने में कुशल है। वैज्ञानिक यह देखना चाहते थे कि विभिन्न प्रकार की शर्करा और कार्बन स्रोतों से खिलाए जाने पर यह बैक्टीरिया कैसा व्यवहार करता है। उन्होंने छह अलग-अलग खाद्य पदार्थों का परीक्षण किया: ग्लिसरॉल, ग्लूकोज, सुक्रोज, फ्रक्टोज, माल्टोज, और इनुलिन (एक जटिल पौधों का फाइबर) से प्राप्त एक मिश्रण। उनका लक्ष्य एक ऐसी आदर्श फीडिंग रणनीति खोजना था जो बैक्टीरिया को अच्छी तरह से बढ़ने और तीन विशिष्ट एंजाइमों—प्रोटीज (जो प्रोटीन को काटता है), लाइपेज (जो वसा को काटता है), और सेलुलेस (जो पौधों के रेशों को काटता है)—का उच्च स्तर पैदा करने की अनुमति दे सके।
शोधकर्ताओं ने बैक्टीरिया को अलग-अलग कंटेनरों में उगाया, जिनमें से प्रत्येक में अलग-अलग खाद्य स्रोत भरे गए थे, और समय के साथ उनकी आबादी में होने वाले परिवर्तनों को देखा। उन्होंने बैक्टीरिया की संख्या को ट्रैक करने के लिए तरल के धुंधलेपन (cloudiness) को मापा और नियमित अंतराल पर तरल में एंजाइम गतिविधि का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि भोजन के चुनाव का बैक्टीरिया के व्यवहार पर नाटकीय प्रभाव पड़ता है। जब ग्लिसरॉल (एक प्रकार का अल्कोहल जिसका उपयोग अक्सर ईंधन योजज के रूप में किया जाता है) खिलाया गया, तो बैक्टीरिया सबसे तेजी से बढ़े और उच्चतम जनसंख्या घनत्व तक पहुँचे। इस खाद्य स्रोत ने बैक्टीरिया को फलने-फूलने में मदद की बिना उस जैविक "ब्रेक" को सक्रिय किए जो आमतौर पर उन्हें कुछ आसान खाने पर एंजाइम बनाने से रोकता है। इसके परिणामस्वरूप, ग्लिसरॉल से पोषित बैक्टीरिया ने सबसे अधिक मात्रा में प्रोटीज और लाइपेज का उत्पादन किया।
हालाँकि, कहानी तब बदल गई जब शोधकर्ताओं ने सेलुलेस को देखा, जो पौधों के रेशों को तोड़ने के लिए आवश्यक एंजाइम है। यहाँ, ग्लिसरॉल सबसे अच्छा विकल्प नहीं था। इसके बजाय, बैक्टीरिया ने इनुलिन हाइड्रोलाइसेट (पौधों के रेशों से प्राप्त शर्करा का एक जटिल मिश्रण) खिलाने पर सबसे अधिक सेलुलेस का उत्पादन किया। यह सुझाव देता है कि बैक्टीरिया अपने पौधों को पचाने वाले उपकरणों को तभी चालू करते हैं जब उन्हें उन विशिष्ट उपकरणों की आवश्यकता वाले किसी जटिल कार्य का सामना करना पड़ता है। अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि एंजाइम उत्पादन का समय महत्वपूर्ण था। बैक्टीरिया तेजी से बढ़ते समय ये उपकरण नहीं बनाते थे। इसके बजाय, उन्होंने बढ़ने के बाद और जीवन के एक धीमी अवस्था में प्रवेश करने तक प्रतीक्षा की, संभवतः इसलिए क्योंकि उन्होंने महसूस किया कि पोषक तत्व कम हो रहे हैं और उन्हें अधिक भोजन खोजने की आवश्यकता है।
यह सिद्ध करने के लिए कि वे वास्तव में इन उपयोगी उपकरणों को अलग कर सकते हैं, शोधकर्ताओं ने सबसे सफल संस्कृतियों (cultures) से तरल लिया और अन्य प्रोटीनों से एंजाइमों को अलग करने का प्रयास किया। उन्होंने नमक का उपयोग करने वाली एक विधि का उपयोग किया जिससे प्रोटीन आपस में जुड़कर तरल से बाहर निकल आए। उन्होंने पाया कि नमक की मात्रा के आधार पर तीन एंजाइमों को एक दूसरे से अलग किया जा सकता था। प्रोटीज कम नमक के साथ जमा हुआ, सेलुलेस को मध्यम मात्रा में नमक की आवश्यकता थी, और लाइपेज को सबसे अधिक नमक की आवश्यकता थी। इस प्रक्रिया को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, वे प्रत्येक एंजाइम के अलग बैच एकत्र करने में सक्षम हुए। जब उन्होंने आकार के आधार पर प्रोटीन को अलग करने वाली एक तकनीक का उपयोग करके सूक्ष्मदर्शी से इन बैचों का परीक्षण किया, तो उन्होंने तीन एंजाइमों की उपस्थिति की पुष्टि की, जिनका आकार क्रमशः लगभग 35, 56 और 70 किलोडालटन (kilodaltons) था। हालाँकि एंजाइम पूरी तरह से शुद्ध नहीं थे, फिर भी इस प्रक्रिया ने उन्हें उपयोगी होने के लिए पर्याप्त रूप से केंद्रित करने में सफलता प्राप्त की।
इस अध्ययन के निष्कर्ष सूक्ष्मजीव विज्ञान (microbial biology) में एक मौलिक समझौते (trade-off) को उजागर करते हैं। बैक्टीरिया एक ही खाद्य स्रोत का उपयोग करके अपने विकास और एंजाइम उत्पादन दोनों को एक ही समय में अधिकतम नहीं कर सकते हैं। ग्लर्सरॉल बैक्टीरिया को बढ़ाने और प्रोटीज एवं लाइपेज बनाने के लिए स्पष्ट विजेता था, जबकि जटिल इनुलिन मिश्रण सेलुलेस के उत्पादन को प्रेरित करने के लिए आवश्यक था। इसका अर्थ यह है कि इस बैक्टीरिया का अधिकतम लाभ उठाने के लिए, केवल सबसे आसान उपलब्ध भोजन देना पर्याप्त नहीं है। इसके बजाय, भोजन का चयन इस आधार पर किया जाना चाहिए कि किस उपकरण की आवश्यकता है। जो उद्योग इन एंजाइमों को सस्ते में बनाना चाहते हैं, उनके लिए यह शोध एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है: विकास और वसा या प्रोटीन पचाने वाले एंजाइमों को बढ़ावा देने के लिए ग्लिसरॉल का उपयोग करें, और फाइबर पचाने वाले एंजाइमों के उत्पादन को प्रेरित करने के लिए जटिल पौधों की शर्करा का उपयोग करें। इन मेटाबॉलिक स्विचों को समझकर, वैज्ञानिक स्थानीय रूप से उपलब्ध बैक्टीरिया से इन मूल्यवान जैविक उपकरणों को निकालने के लिए बेहतर प्रणालियाँ डिजाइन कर सकते हैं, जिससे महंगे आयात की आवश्यकता कम हो जाती है और उत्पादन अधिक कुशल हो जाता है।
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