Conserved fermentation-associated genomic architecture and lineage-associated variation in lactic acid bacteria

वे बैक्टीरिया जो दूध को दही में, गोभी को सॉरक्राउट (sauerkraut) में और अंगूरों को वाइन में बदलते हैं, वे 'लैक्टिक एसिड बैक्टीरिया' के रूप में जाने जाने वाले एक विशाल परिवार से ताल्लुक रखते हैं। ये सूक्ष्म जीव अपने एक विशिष्ट कार्य के लिए प्रसिद्ध हैं: वे शर्करा खाते हैं और उसे लैक्टिक एसिड में परिवर्तित करते हैं, यह एक ऐसी प्रक्रिया है जो भोजन को संरक्षित करती है और इसे एक तीखा स्वाद देती है। दशकों तक, वैज्ञानिकों ने इन जीवों को उनके इस साझा जीवन जीने के तरीके के आधार पर एक साथ समूहबद्ध किया था, यह मानते हुए कि किण्वन (fermentation) के लिए उनकी आंतरिक मशीनरी काफी हदियों तक समान थी। हालांकि, इन बैक्टीरिया के जेनेटिक कोड (आनुवंशिक कूट) को पढ़ने की हालिया प्रगति ने एक अधिक जटिल तस्वीर पेश की है। जबकि वे सभी एक ही व्यापक कार्य करते हैं, उनके आनुवंशिक ब्लूप्रिंट अत्यधिक भिन्न हैं, जो विशेष रूप से उन वातावरणों द्वारा आकार लेते हैं जिनमें वे रहते हैं। यह एक मौलिक प्रश्न खड़ा करता है: यदि ये बैक्टीरिया आनुवंशिक रूप से इतने अलग दिखते हैं, तो क्या उनके पास किण्वन के लिए उपकरणों का अलग सेट भी है, या कोई छिपा हुआ, अपरिवबंध अनिरंतर कोर मौजूद है जिसे हर एक उनमें वहन करता है?

एक नए अध्ययन ने 507 विभिन्न बैक्टीरियल जीनोमों की जांच करके इसका उत्तर देने का प्रयास किया। शोधकर्ताओं ने इन बैक्टीरिया के एक विशिष्ट समूह पर ध्यान केंद्रित किया जिसे 'लैक्टिप्लांटिबैसिलस' (Lactiplantibacillus) कहा जाता है, जिसमें प्रसिद्ध प्रजाति 'L. plantarum' शामिल है, जो पौधों और किण्वित खाद्य पदार्थों का एक सामान्य निवासी है। इनके द्वारा किए गए निष्कर्षों को समझने के लिए, यह जानना सहायक है कि किण्वन केवल एक चरण नहीं बल्कि रासायनिक पथों की एक श्रृंखला है। बैक्टीरिया के चयापचय (metabolism) को एक फैक्ट्री फ्लोर के रूप में सोचें जहाँ शर्करा कच्चा माल है। शर्करा मुख्य कन्वेयर बेल्ट में प्रवेश करती है, टूटती है, और फिर एक महत्वपूर्ण जंक्शन (junction) तक पहुँचती है। इस जंक्शन पर, फैक्ट्री को निर्णय लेना होता है कि परिणामी टुकड़ों को कहाँ भेजा जाए: क्या उन्हें लैक्टिक एसिड, एसीटेट, इथेनॉल या अन्य उपोत्पादों में बदलना चाहिए? अध्ययन ने उन विशिष्ट जीन की खोज की जो प्रत्येक चरण के लिए मशीनरी का निर्माण करते हैं, और उन्हें सात कार्यात्मक समूहों में व्यवस्थित किया ताकि यह देखा जा सके कि कौन से हमेशा उपस्थित थे और कौन से एक बैक्टीरिया वंश से दूसरे वंश में बदल जाते हैं।

शोधकर्ताओं ने जीन को पढ़ने के एक मानकीकृत तरीके का उपयोग करते हुए 462 Lactiplantibacillus जीनोम के साथ-साथ अन्य संबंधित बैक्टीरिया समूहों के जेनेटिक कोड का विश्लेषण किया। वे 28 विशिष्ट जैविक मार्करों की तलाश कर रहे थे, जो किण्वन प्रक्रिया चलाने के लिए आवश्यक एंजाइमों के लिए जेनेटिक सिग्नेचर के रूप में कार्य करते हैं। परिणाम आश्चर्यजनक रूप से सुसंगत थे। इन अधिकांश बैक्टीरिया में, 28 में से 27 मार्कर प्रत्येक एकल जीनोम में पाए गए। एक मार्कर जो बहुत कम मामलों में गायब था, वह 99.35 प्रतिशत नमूनों में मौजूद था। इसका अर्थ है कि शर्करा को संसाधित करने और किण्वन की बुनियादी रसायन विज्ञान को प्रबंधित करने के लिए आवश्यक जीनों का मूल सेट इस विविध समूह में लगभग पूरी तरह से सुरक्षित रखा गया है। यहाँ तक कि उल्लेखनीय रूप से, जब शोधकर्ताओं ने इस समूह के भीतर चार विशिष्ट प्रजातियों को देखा जिनके कई प्रतिनिधि अध्ययन में थे, तो उन प्रजातियों के प्रत्येक एकल जीनोम में सभी 28 मार्कर मौजूद थे। यह सुझाव देता है कि भले ही ये बैक्टीरिया अलग-अलग स्थानों पर रह रहे हों और इनमें कई अन्य आनुवंशिक अंतर हों, लेकिन किण्वन के लिए मूलभूत टूलकिट कठोर रूप से संरक्षित है।

हालाँकि, कहानी तब बदल जाती है जब शोधकर्ताओं ने देखा कि ये बैक्टीरिया उस मेटाबॉलिक जंक्शन पर निर्णय कैसे लेते हैं। जबकि मुख्य कन्वेयर बेल्ट और एसीटेट बनाने की क्षमता अध्ययन किए गए सभी विभिन्न बैक्टीरिया समूहों में सुसंगत थी, शर्करा के अंतिम भाग्य का निर्णय लेने वाले जीन कहीं अधिक परिवर्तनशील थे। लैक्टिक एसिड बनाने वाली मशीनरी और पाइरूवेट (pyruvate)—जो एक प्रमुख रासायनिक मध्यवर्ती है—को संभालने वाले वैकल्पिक मार्गों ने विभिन्न बैक्टीरिया परिवारों के बीच सबसे महत्वपूर्ण अंतर दिखाया। कुछ समूहों के पास इन निर्णय लेने वाले जीनों का पूर्ण सेट था, जबकि कुछ में इस सेट के हिस्से गायब थे। यह इंगित करता है कि जबकि बुनियादी किण्वन की क्षमता एक साझा, अपरिवर्तनीय गुण है, विभिन्न वंशावलियों द्वारा अपने रासायनिक आउटपुट को संतुलित करने का विशिष्ट तरीका प्रकृति ने बदलाव के लिए छोड़ा है।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि समान जीन होने का मतलब यह जरूरी नहीं कि बैक्टीरिया हर स्थिति में बिल्कुल एक जैसा व्यवहार करेंगे। जेनेटिक ब्लूप्रिंट संभावनाओं का एक मेनू प्रदान करता है, जो यह परिभाषित करता है कि बैक्टीरिया क्या कर सकते हैं, लेकिन वास्तविक परिणाम इस बात पर निर्भर करता है कि उन जीनों का उपयोग कैसे किया जाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि किण्वन के लिए जीन इतने स्थिर हैं कि वे एक लगभग अपरिवर्तनीय ढांचा बनाते हैं, भले ही वे ऐसे बैक्टीरिया हों जो अन्यथा एक-दूसरे से बहुत भिन्न हों। किण्वन फेनोटाइप्स (phenotypes)—वास्तविक स्वादों और उपोत्पादों—में दिखने वाली विविधता संभवतः इसलिए नहीं है कि इन मुख्य जीनों की उपस्थिति या अनुपस्थिति है, बल्कि इसलिए है क्योंकि बैक्टीरिया परिवेश के जवाब में उन्हें कैसे नियंत्रित करते हैं। यह भेद इन जीवों को समझने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है: जीनोम संभावित कार्यों की सीमा तय करता है, लेकिन अंतिम परिणाम बैक्टीरिया के आसपास की दुनिया के प्रति एक गतिशील प्रतिक्रिया है।

सबसे महत्वपूर्ण बातों में से एक यह है कि वैज्ञानिक अब केवल किसी जीन को खोजने मात्र से यह अनुमान नहीं लगा सकते कि बैक्टीरिया हमेशा एक विशिष्ट रसायन उत्पन्न करेगा। उदाहरण के लिए, अध्ययन ने पाया कि एसीटेट बनाने के लिए जीन परीक्षण किए गए प्रत्येक समूह में मौजूद थे, फिर भी इसका मतलब यह नहीं है कि प्रत्येक बैक्टीरिया लगातार एसीटेट बना रहा है। जीन की उपस्थिति का अर्थ है कि क्षमता वहां है, ऑक्सीजन स्तर या उपलब्ध भोजन जैसे कारकों द्वारा सक्रिय होने के लिए प्रतीक्षा कर रही है। शोधकर्ता जोर देते हैं कि जीनोम निश्चित नियति के बजाय संभावित क्रियाओं के स्थान को परिभाषित करता है। यह निष्कर्ष बताता है कि लगभग समान किंचन टूलकिट वाले बैक्टीरिया अलग-अलग खाद्य पदार्थों या वातावरणों में अलग-अलग परिणाम क्यों दे सकते हैं।

यह कार्य इस बात पर प्रकाश डालता है कि केवल जीनों को देखकर व्यवहार का पूर्वानुमान लगाने की सीमाएं क्या हैं। हालाँकि अध्ययन ने किण्वन के जेनेटिक परिदृश्य को सफलतापूर्वक मैप किया, लेकिन इसने लैब सेटिंग में बैक्टीरिया के वास्तविक रासायनिक उत्पादन को मापा नहीं। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि बिना इस डेटा के कि जीन कैसे चालू या बंद होते हैं, या वास्तव में प्रत्येक एंजाइम कितना बनता है, व्यक्ति अंतिम उत्पाद की भविष्यवाणी नहीं कर सकता। यह अध्ययन उपलब्ध उपकरणों का एक मानचित्र है, जो दिखाता है कि कोर सेट उल्लेखनीय रूप से स्थिर है, लेकिन उन उपकरणों का विशिष्ट अनुप्रयोग भिन्न होता है। यह भविष्य के अनुसंधान के लिए एक स्पष्ट नींव प्रदान करता है, जिससे पता चलता है कि यह समझने के लिए कि एक बैच का दही दूसरे से अलग क्यों लगता है, या क्यों बैक्टीरिया का एक विशिष्ट स्ट्रेन किसी विशेष औद्योगिक प्रक्रिया में बेहतर काम करता है, वैज्ञानिकों को केवल जीनों की उपस्थिति से आगे बढ़कर यह देखना होगा कि उन जीनों को कैसे नियंत्रित किया जाता है।

अंततः, यह शोध बैक्टीरियल जगत में एक पदानुक्रमित संगठन प्रकट करता है। इसमें जीनों का एक ठोस, संरक्षित आधार है जो इन बैक्टीरिया को किण्वन में उनकी आवश्यक भूमिका निभाने की अनुमति देता है, एक ऐसा आधार जो विकास के लाखों वर्षों में स्थिर रहा है। इस आधार के ऊपर, भिन्नता की एक परत है जहां विभिन्न वंशावलियों ने अपने विशिष्ट निश (niche) के अनुकूल होने के लिए अपने मेटाबॉलिक मार्ग को बदला है। यह भिन्नता उन पथों में केंद्रित है जो अंतिम रासायनिक उत्पादों का निर्णय लेते हैं, जिससे मुख्य कार्य से समझौता किए बिना लचीलापन मिलता है। जिज्ञासु पर्यवेक्षक के लिए, इसका अर्थ है कि हमारे किण्वित खाद्य पदार्थों के लिए जिम्मेदार बैक्टीरिया केवल सरल, एकरूप मशीनें नहीं हैं। वे जटिल जीव हैं जिनका एक साझा, अपरिवर्तनीय कोर है जो विविध विशेषज्ञ व्यवहारों के विस्तृत रेंज का समर्थन करता है, जो एक ऐसी जेनेटिक संरचना में एनकोड है जो उल्लेखनीय रूप से स्थिर और आश्चर्यजनक रूप से अनुकूलन योग्य दोनों है।