High-efficiency antimony biomineralization by Serratia marcescens: process optimization and integrated genomic–transcriptomic–proteomic analysis

एंटीमनी एक जहरीला मेटालॉइड है जो पानी और मिट्टी में एक बढ़ती समस्या बन गया है, विशेष रूप से खनन कार्यों के पास। यह प्रकृति में विभिन्न रूपों में मौजूद है, लेकिन इसका एक संस्करण, जिसे एंटीमनी(III) के रूप में जाना जाता है, जीवित चीजों के लिए विशेष रूप से खतरनाक है क्योंकि यह कोशिकाओं के ऊर्जा उत्पन्न करने और स्वयं की मरम्मत करने के तरीके को बाधित कर सकता है। जबकि प्रकृति के पास भारी धातुओं से निपटने के तरीके हैं, जिसमें ऐसे बैक्टीरिया भी शामिल हैं जो जहरीले पदार्थों को कम हानिकारक रूपों में बदल देते हैं, इन सूक्ष्मजीवों द्वारा एंटीमनी को बेअसर करने के लिए उठाए जाने वाले विशिष्ट चरणों ने काफी हद तक रहस्य बना रखा है। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि कुछ सूक्ष्मजीव घुले हुए एंटीमनी को ठोस क्रिस्टल में बदल सकते हैं, जो प्रभावी रूप से जहर को दूर लॉक कर देता है, लेकिन वे पूरी तरह से नहीं समझ पाए कि बैक्टीरिया काम करने के लिए पर्याप्त समय तक विषाक्तता में कैसे जीवित रहते हैं, या वे वास्तव में उन क्रिस्टल का निर्माण कैसे करते हैं।

गुइज़हौ विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने चीन में एक एंटीमनी खदान के कचरे में पाए गए एक विशिष्ट बैक्टीरिया का अध्ययन करके इस प्रक्रिया की परतों को खोला है। उन्होंने सेराटिया मार्सेसन्स (Serratia marcescens) के एक स्ट्रेन को अलग किया, जो एक छड़ के आकार का सूक्ष्मजीव है और इसने साबित किया कि यह अविश्वसनीय रूप से कठोर है, जो प्रति लीटर 250 मिलीमोल से अधिक एंटीमनी वाले पानी में जीवित रहने में सक्षम है। सहनशीलता का यह स्तर अन्य अधिकांश बैक्टीरिया की तुलना में बहुत अधिक है। शोधकर्ता न केवल यह जानना चाहते थे कि यह बैक्टीरिया पानी को साफ करने में सक्षम है, बल्कि यह भी कि यह घुले हुए जहर को एंटीमनी ट्राइऑक्साइड नामक एक ठोस, क्रिस्टलीय खनिज में कैसे बदलता है। इसका उत्तर देने के लिए, उन्होंने केवल बैक्टीरिया को बढ़ते हुए नहीं देखा; उन्होंने उन्नत इमेजिंग को सूक्ष्मजीव के आनुवंशिक निर्देशों और इसके द्वारा उत्पादित प्रोटीन के गहन अध्ययन के साथ जोड़ा, जिससे काम करने वाली जैविक मशीनरी की एक पूर्ण तस्वीर तैयार हुई।

पहला कदम यह था कि बैक्टीरिया के काम करने के लिए आदर्श स्थितियाँ खोजी जाएं। विभिन्न तापमानों, अम्लता के स्तरों और हिलाने की गति का परीक्षण करके, टीम ने पाया कि बैक्टीरिया थोड़े अम्लीय पानी में 27.7 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर सबसे अच्छा काम करते हैं। इन अनुकूलित स्थितियों के तहत, सूक्ष्मजीव ने केवल पांच दिनों में पानी से 96.18 प्रतिशत एंटीमनी को हटा दिया। लेकिन असली कहानी उन दिनों के दौरान क्या हुआ, इसमें छिपी है। उच्च शक्ति वाले सूक्ष्मदर्शी और प्रकाश-आधारित इमेजिंग उपकरणों का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने समय के साथ इस परिवर्तन को घटित होते देखा। उन्होंने देखा कि यह प्रक्रिया एक साथ नहीं होती है। पहले दिन, कुछ भी दृश्यमान नहीं दिखाई दिया। फिर, बैक्टीरिया की सतह पर छोटे, दानेदार गुच्छे चिपकने लगे। दूसरे दिन तक, ये गुच्छे स्पष्ट, परतदार क्रिस्टल में विकसित हो गए जो अनियमित किताबों के ढेर की तरह एक के ऊपर एक जमा हो गए। घुले हुए एंटीमनी को पूरी तरह से एंटीटोनियम ट्राइऑक्साइड के ठोस क्रिस्टल में बदलने में लगभग 36 घंटे लगे। इस चरण-दर-चरण अवलोकन ने पुष्टि की कि बैक्टीरिया पहले एक नरम, अव्यवस्थित जेल जैसा स्तर बनाते हैं और फिर यह अंतिम क्रिस्टल में कठोर हो जाता है, जो एक ऐसा मार्ग है जो सामान्य रूप से टेस्ट ट्यूब में क्रिस्टल बनने के तरीके से भिन्न है।

यह समझने के लिए कि बैक्टीरिया इन क्रिस्टल का निर्माण करते समय इतने जहरीले वातावरण में कैसे जीवित रहे, वैज्ञानिकों ने सूक्ष्मजीव के आनुवंशिक कोड और उसके सक्रिय प्रोटीन के भीतर झांका। उन्होंने पाया कि बैक्टीरिया ने तनाव से निपटने के लिए एक बड़े आंतरिक पुनर्गठन का अनुभव किया। बैक्टीरिया ने अनिवार्य रूप से अपनी गति करने की क्षमता को बंद कर दिया। फ्लैगेला (flagella), जो बैक्टीरिया के छोटे चाबुक जैसे पूंछ होते हैं जिनका उपयोग वे तैरने के लिए करते हैं, बनाने वाले जीन बंद कर दिए गए। यह एक जानबूझकर किया गया ऊर्जा-बचत कदम था। तैरने में बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है, और रुककर, बैक्टीरिया उस सारी शक्ति को अपने सेल्स से जहरीला एंटीमनी बाहर पंप करने और सुरक्षात्मक क्रिस्टल बनाने की ओर पुनर्निर्देशित कर सके। तैरने के बजाय, बैक्टीरिया ने अपने बाहरी आवरण को मोटा कर लिया, जिससे एक भौतिक अवरोध बना जो एंटीमनी को फँसाने में मदद करता था और क्रिस्टल के बढ़ने के लिए एक स्थान प्रदान करता था।

साथ ही, बैक्टीरिया ने अपनी आंतरिक रक्षा प्रणालियों को तेज कर दिया। जहरीला एंटीमिली कोशिका के उन विशिष्ट हिस्सों पर हमला करता है जो जीवन के लिए आवश्यक हैं, विशेष रूप से लोहा और सल्फर के समूह जो कोशिका के ऊर्जा उत्पादन के लिए छोटे बैटरी के रूप में कार्य करते हैं। बैक्टीरिया ने इन क्षतिग्रस्त हिस्सों की मरम्मत करने के लिए अपने परिवेश से लोहे और सल्फर की आक्रामक रूप से खोजबीन करके प्रतिक्रिया दी। उन्होंने एंटीऑक्सीडेंट के उत्पादन को भी बढ़ाया, जो उन हानिकारक रासायनिक उपोत्पादों को बेअसर करने वाले अणु हैं जो कोशिका पर हमले के दौरान उत्पन्न होते हैं। अध्ययन ने दिखाया कि बैक्टीरिया ने वसा जलाने और अपने ऊर्जा चक्र को अधिक कुशलता से चलाने पर ध्यान केंद्रित करने के लिए अपने चयापचय (metabolism) को बदल दिया, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि उनके पास जहर को बाहर निकालने वाले पंपों को चलाने के लिए पर्याप्त शक्ति हो। इस समन्वित प्रयास ने सूक्ष्मजीव को न केवल जीवित रहने में सक्षम बनाया, बल्कि सक्रिय रूप से तरल जहर को एक ठोस खनिज में परिवर्तित करने में भी सक्षम बनाया।

निष्कर्ष बताते हैं कि इस बैक्टीरिया ने अस्तित्व और संसाधन प्राप्ति के बीच संतुलन बनाने वाली एक परिष्कृत रणनीति विकसित की है। यह केवल जहर को सहन नहीं करता है; यह इसे सक्रिय रूप से रूपांतरित करता है। घुले हुए एंटीमनी को ठोस क्रिस्टल में बदलकर, बैक्टीरिया प्रभावी रूप से पानी से खतरे को हटा देता है और साथ ही एक मूल्यवान खनिज संसाधन भी बनाता है। यह शोध बताता है कि यह कैसे होता है, यह दिखाते हुए कि यह प्रक्रिया घटनाओं के एक सटीक क्रम पर निर्भर करती है: अनावश्यक गति को रोकना, क्षतिग्रस्त कोशिकीय मशीनरी की मरम्मत करना और कोशिका की सतह पर क्रिस्टल के निर्माण का मार्गदर्शन करना। यह खोज भारी धातु प्रदूषण को संभालने के बारे में प्रकृति के दृष्टिकोण पर एक नया परिप्रेक्ष्य प्रदान करती है और दूषित स्थलों को साफ करने और कचरे से उपयोगी सामग्री प्राप्त करने के लिए समान जैविक प्रक्रियाओं का उपयोग करने की संभावना की ओर संकेत करती है।