Polytech-CyanoSPO is a chemically rationalized BG11 derivative overcoming precipitation and toxicity for robust cyanobacterial growth
यह अध्ययन Polytech-CyanoSPO को प्रस्तुत करता है, जो एक रासायनिक रूप से तर्कसंगत BG11 व्युत्पन्न है जो चार लक्षित लवण प्रतिस्थापनों के माध्यम से अवक्षेपण और विषाक्तता संबंधी समस्याओं को दूर करता है, जिससे उन तीन टॉक्सिजेनिक सायनोबैक्टीरिया उपभेदों में मजबूत विकास और चयापचय गतिविधि सक्षम होती है जो मानक BG11 माध्यम में पनपने में विफल रहते हैं।
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मीठे पानी की झीलों और नदियों के शांत कोनों में, सायनोबैक्टीरिया (cyanobacteria) नामक सूक्ष्म पौधे लगातार काम में लगे रहते हैं। ये एककोशिकीय जीव जल जगत के इंजन हैं, जो ऊर्जा बनाने के लिए सूर्य के प्रकाश को पकड़ते हैं और ऑक्सीजन छोड़ते हैं, बिल्कुल वैसे ही जैसे जमीन पर पेड़ करते हैं। हालाँकि, इनमें से कुछ सूक्ष्म पौधे खतरनाक हो सकते हैं। जब स्थितियाँ अनुकूल होती हैं, तो वे तेजी से संख्या बढ़ा सकते हैं, जिससे गाद वाले हरे रंग के जमाव बन जाते हैं जिन्हें हानिकारक शैवाल प्रस्फवन (harmful algal blooms) कहा जाता है। ये प्रस्फवन पानी में अन्य जीवन का दम घोंट सकते हैं और ऐसे जहर छोड़ सकते हैं जो पीने के पानी की आपूर्ति, पालतू जानवरों और लोगों के लिए खतरा पैदा करते हैं। यह समझने के लिए कि ये प्रस्फवन कैसे शुरू होते हैं, वे अपने जहर का उत्पादन कैसे करते हैं, और उन्हें कैसे रोका जाए, वैज्ञानिकों को इन जीवों को प्रयोगशाला में उगाने में सक्षम होना चाहिए। उन्हें एक नियंत्रित वातावरण की आवश्यकता होती है जहाँ वे प्राकृतिक झील की अराजकता के बिना कोशिकाओं के विभाजन और उनके व्यवहार का अध्ययन कर सकें।
द दशकों से, प्रयोगशाला में इन मीठे पानी के सायनोबैक्टीरिया को खिलाने के लिए मानक नुस्खा BG11 नामक एक मिश्रण रहा है। यह एक प्रसिद्ध फॉर्मूला है, जिसे दुनिया भर के शोधकर्ता भरोसेमंद मानते हैं, जिसमें पानी, लवण और लोहा, नाइट्रोजन और फास्फोरस जैसे आवश्यक पोषक तत्व शामिल हैं। विचार सरल है: कोशिकाओं को वह भोजन प्रदान करें जिसकी उन्हें आवश्यकता है, और वे बढ़ेंगी। लेकिन एक विशिष्ट समूह के जहरीले सायनोबैक्टीरिया के लिए, यह मानक नुस्खा पूरी तरह से विफल रहा है। जब वैज्ञानिकों ने तीन विशेष प्रजातियों—Planktothrix agardhii, Shackletonia antarctica, और Pseudanabaena catenata—को इस मानक मिश्रण में उगाने की कोशिश की, तो कोशिकाएं केवल धीरे-धीरे ही नहीं बढ़ीं; बल्कि वे बढ़ना पूरी तरह से बंद कर गईं। वे पीली पड़ गईं, उनकी आंतरिक मशीनरी टूट गई, और कल्चर मर गए। इस विफलता ने एक बड़ी बाधा उत्पन्न कर दी। इन विशिष्ट जहरीले उपभेदों (strains) को लैब में उगाने का तरीका न होने के कारण, शोधकर्ता यह अध्ययन नहीं कर सके कि उन्हें अपने जहर छोड़ने के लिए क्या प्रेरित करता है या जंगली अवस्था में प्रस्फवन कब हो सकता है, इसका पूर्वानुमान कैसे लगाया जाए।
पीटर द ग्रेट सेंट पीटर्सबर्ग पॉलिटेक्निक यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह जांचने का निर्णय लिया कि यह मानक भोजन क्यों विफल हो रहा था और एक बेहतर भोजन कैसे बनाया जाए। उन्होंने पाया कि समस्या भोजन की कमी नहीं थी, बल्कि यह था कि वह भोजन कैसे दिया जा रहा था। मानक मिश्रण में, कुछ सामग्रियां आपस में प्रतिक्रिया करती थीं जिससे ठोस गुच्छे बन जाते थे जिन्हें बैक्टीरिया खा नहीं सकते थे, जबकि अन्य सामग्रियां एक ऐसा रासायनिक वातावरण बनाती थीं जो वास्तव में कोशिकाओं के लिए विषाक्त था। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिकों ने एक नया, संशोधित नुस्खा विकसित किया जिसे उन्होंने Polytech-CyanoSPO नाम दिया। इस नए मिश्रण ने नए पोषक तत्वों का आविष्कार नहीं किया; इसके बजाय, इसने चार विशिष्ट सामग्रियों को उन्हीं पोषक तत्वों के विभिन्न रूपों से बदल दिया जिनका बैक्टीरिया वास्तव में उपयोग कर सकते थे।
पहला परिवर्तन लोहे (iron) को संबोधित करता था, जो बैक्टीरिया के लिए प्रकाश संश्लेषण (photosynthesis) करने हेतु एक महत्वपूर्ण खनिज है। पुराने नुस्खे में, लोहे को एक ऐसे यौगिक के साथ मिलाया गया था जो प्रकाश में जल्दी टूट जाता था, जिससे लोहा जंग जैसे ठोस कचरे में बदल जाता था जो बर्तन के नीचे बैठ जाता था। बैक्टीरिया वहां तक नहीं पहुँच पाते थे। नए नुस्खे में इसे एक अलग आयरन साल्ट (iron salt) के साथ बदला गया, जिसे एक विशेष अणु के साथ जोड़ा गया जो एक सुरक्षात्मक पिंजरे की तरह कार्य करता है, लोहे को तरल, घुले हुए रूप में बनाए रखता है ताकि कोशिकाएं इसे आसानी से पकड़ सकें। दूसरा परिवर्तन नाइट्रोजन के स्रोत से संबंधित था। पुराने नुस्खे में एक प्रकार का नाइट्रोजन उपयोग किया जाता था जो अपने साथ सोडियम लेकर आता था, एक ऐसा नमक जो कोशिकाओं को तनाव दे सकता है और उनके आंतरिक संतुलन को बिगाड़ सकता है। नए नुस्खे में इसे पोटेशियम के साथ जुड़े नाइट्रोजन के एक रूप से बदल दिया गया, जो एक ऐसा खनिज है जिसकी बैक्टीरिया को कार्य करने के लिए आवश्यकता होती है, जिससे भोजन प्रभावी रूप से ऊर्जा और आवश्यक खनिजों के स्रोत में बदल गया बिना किसी तनाव के।
तीसरा समायोजन फास्फोरस (phosphorus) से संबंधित था, जो एक अन्य प्रमुख पोषक तत्व है। मानक मिश्रण में, जिस तरह से फास्फोरस घुला हुआ था, उससे उसके कैल्शियम और मैग्नीशियम से चिपकने की संभावना अधिक थी, जिससे अदृश्य ठोस पदार्थ बनते थे जिन्हें बैक्टीरिया अवशोषित नहीं कर सकते थे। नए नुस्खे ने फास्फोरस का एक अलग रूप उपयोग किया जिसने पानी को थोड़ा अम्लीय (acidic) रखा, जिससे ये ठोस पदार्थ बनने से रुक गए और कोशिकाओं के खाने के लिए फास्फोरस उपलब्ध रहा। अंत में, टीम ने कोबाल्ट (cobalt) नामक एक सूक्ष्म धातु के स्रोत को बदला, हानिकारक रासायनिक रूप को हटाकर उसकी जगह एक सुरक्षित, अधिक स्थिर संस्करण लाया। ये चार परिवर्तन संख्या में कम थे लेकिन प्रभाव में बहुत बड़े थे।
जब शोधकर्ताओं ने अपने नए मिश्रण का पुराने के मुकाबले परीक्षण किया, तो परिणाम नाटकीय थे। मानक BG11 मिश्रण में, तीनों जहरीली प्रजातियां मुश्किल से जीवित रह पाईं। उनकी संख्या नहीं बढ़ी, उनका हरा रंग फीका पड़ गया, और उन्होंने लगभग कोई ऑक्सीजन नहीं छोड़ी, जो इस बात का संकेत है कि उनके ऊर्जा इंजन रुक गए थे। इसके विपरीत, नए Polytech-CyanoSPO मिश्रण में उगाए गए कल्चर जीवन से भर उठे। चौदह दिनों की अवधि में, नए मिश्रण में कोशिकाओं की संख्या पुराने वाले की तुलना में दस से तीस गुना अधिक बढ़ गई। नए कल्चर का पानी ऑक्सीजन से इतना समृद्ध हो गया कि इसमें सामान्यतः हवा में घुलने वाली ऑक्सीजन से भी अधिक मात्रा थी, जो एक स्पष्ट संकेत था कि बैक्टीरिया पूरी गति से प्रकाश संश्लेषण कर रहे थे।
वैज्ञानिकों ने प्रयोग के बाद पानी में बचे हुए तत्वों को भी मापा। विफल हुए कल्चर में, पानी अभी भी अप्रयुक्त नाइट्रोजन और फास्फोरस से भरा था, जो साबित करता था कि बैक्टीरिया खाने के लिए बहुत बीमार थे। सफल कल्चर में, पानी इन पोषक तत्वों से लगभग खाली था, जो दर्शाता है कि स्वस्थ बैक्टीरिया ने उपलब्ध लगभग सब कुछ खा लिया था। नए मिश्रण ने पानी के pH स्तर को भी स्थिर और तटस्थ बनाए रखा, जबकि पुराना मिश्रण अत्यधिक क्षारीय (alkaline) हो गया था, जिसने कोशिकाओं को और अधिक विषैला बना दिया था। इन रासायनिक पहेलियों को सुलझाकर, शोधकर्ताओं ने इन कठिन, जहरीले उपभेदों को उगाने का एक विश्वसनीय तरीका प्रदान किया है। इस सफलता का अर्थ है कि वैज्ञानिक अब आत्मविश्वास के साथ प्रयोगशाला में इन जीवों का अध्ययन कर सकते हैं, जिससे यह समझने का मार्ग खुल गया है कि वे अपने जहर का उत्पादन कैसे करते हैं और हानिकारक शैवाल प्रस्फवन के खतरों से जल आपूर्ति की रक्षा कैसे की जा सकती है।
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