Identification of longevity strains of Saccharomyces cerevisiae under high-glucose conditions

यीस्ट (yeast) की सूक्ष्म दुनिया में, जो कि एक कोशिकीय कवक है जिसका उपयोग सदियों से ब्रेड बनाने और बीयर बनाने के लिए किया जाता रहा है, जीवित रहना अपने वातावरण के साथ एक निरंतर समझौता है। जब भोजन प्रचुर मात्रा में होता है, तो ये कोशिकाएं तेजी से बढ़ती हैं और विभाजित होती हैं, लेकिन इस प्रचुरता के साथ एक छिपा हुआ मूल्य भी आता है। चीनी की उच्च सांद्रता, विकास को ईंधन देने के साथ-साथ, वास्तव में उम्र बढ़ने की प्रक्रिया को तेज कर सकती है, जिससे कोशिकाएं एक अधिक मध्यम परिवेश की तुलना में जल्दी मर जाती हैं। इस घटना को 'क्रोनोलॉजिकल एजिंग' (chronological aging) के रूप में जाना जाता है, जो यह मापता है कि एक कोशिका विभाजन बंद करने और विश्राम अवस्था में प्रवेश करने के बाद कितने समय तक जीवित रह सकती है। औद्योगिक उत्पादकों के लिए, यह एक महत्वपूर्ण बाधा है; यदि उच्च-चीनी वाले मिश्रणों के किण्वन (fermentation) के दौरान यीस्ट बहुत जल्दी मर जाता है, तो बीयर, वाइन या बायोफ्यूल की पैदावार गिर जाती है, और उत्पाद की निरंतरता प्रभावित होती है। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि यीस्ट कोशिकाएं समय के साथ कठोर परिस्थितियों के अनुकूल हो सकती हैं, लेकिन वे विशिष्ट तरीके जिनसे वे लंबी अवधि तक जीवित रहने के लिए चीनी की निरंतर बाढ़ के बीच अपनी आंतरिक मशीनरी को पुनर्गठित करती हैं, काफी हद तक एक रहस्य बना हुआ है।

शंघाई जियाओ टोंग विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने यीस्ट को चरम स्थितियों के तहत विकसित होने के लिए मजबूर करके इस पहेली को सुलझाने का प्रयास किया। उन्होंने प्रयोगशाला के एक मानक यीस्ट स्ट्रेन से शुरुआत की और उसे एक तरल वातावरण में रखा जिसमें ग्लूकोज की भारी मात्रा थी—300 ग्राम प्रति लीटर, एक ऐसी सांद्रता जो आमतौर पर प्रकृति या मानक किण्वन पात्रों में नहीं पाई जाती है। विकास की प्रक्रिया को तेज करने के लिए, उन्होंने केवल प्राकृतिक उत्परिवर्तन (mutations) होने का इंतजार नहीं किया; बल्कि उन्होंने एक रासायनिक एजेंट भी पेश किया जिसने यीस्ट के डीएनए को धीरे से बिखेर दिया, जिससे विभिन्न प्रकार के आनुवंशिक परिवर्तन उत्पन्न हुए। फिर उन्होंने इन संशोधित कोशिकाओं को तीस दिनों तक बढ़ने दिया, जीवित बचे लोगों को इकट्ठा किया और कई पीढ़ियों तक इस प्रक्रिया को दोहराया। लक्ष्य सरल था: उन स्ट्रेनों को खोजना जो न केवल इस चीनी के ओवरलोड में जीवित रह सकें बल्कि अपने पूर्वजों की तुलना में अधिक समय तक जीवित भी रहें।

परिणाम चौंकाने वाले थे। विकसित यीस्ट स्ट्रेन न केवल जीवित रहे; बल्कि वे उन तरीकों से फले-फूले जो मूल स्ट्रेन नहीं कर सका। जब शोधकर्ताओं ने परीक्षण किया कि ये नए स्ट्रेन उच्च-चीनी वाले वातावरण में कितने समय तक जीवित रह सकते हैं, तो उन्होंने पाया कि विकसित कोशिकाएं काफी लंबे समय तक जीवित रहीं। महत्वपूर्ण रूप से, यह विस्तारित जीवन धीमा होने की कीमत पर नहीं आया। जीव विज्ञान का एक सामान्य सिद्धांत सुझाव देता है कि जीव केवल इसलिए अधिक समय तक जीवित रहते हैं क्योंकि वे अधिक धीरे बढ़ते हैं, यानी वे सहनशक्ति के लिए गति का त्याग करते हैं। हालांकि, इन नए यीस्ट स्ट्रेनों ने इस विचार को गलत साबित कर दिया। वे मूल स्ट्रेन की तरह ही तेजी से बढ़े, लेकिन ताजे भोजन में जाने के झटके से वे बहुत जल्दी उबर गए और कई दिनों तक अपनी जीवंतता बनाए रखी। उन्होंने तेज और दीर्घायु दोनों होने का तरीका खोज लिया था, जो औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए अत्यधिक वांछनीय है।

इन छोटी कोशिकाओं ने यह उपलब्धि कैसे हासिल की, इसे समझने के लिए शोधकर्ताओं ने उनके भीतर झाँका, उन निर्देशों को पढ़ा जिनका उपयोग कोशिकाएं प्रोटीन बनाने के लिए करती हैं और उनके द्वारा उत्पादित रासायनिक उपोत्पादों का अध्ययन किया। उन्होंने पाया कि विकसित यीस्ट के विभिन्न समूहों ने एक ही मंजिल तक पहुँचने के लिए बहुत अलग-अलग रास्ते अपनाए। एक समूह के स्ट्रेन ने अपने प्रोटीन बनाने वाले कारखानों को अनुकूलित करने पर ध्यान केंद्रित किया, जो अनिवार्य रूप से अपने संसाधनों का उपयोग करने में अधिक कुशल बन गए। दूसरे समूह ने अपनी आंतरिक रखरखाव प्रणालियों को मजबूत किया, जिससे क्षतिग्रस्त प्रोटीन की सफाई और अपनी सेलुलर झिल्लियों (membranes) की मरम्मत करने की क्षमता में सुधार हुआ। तीसरे समूह ने अपने केंद्रीय ऊर्जा चयापचय (metabolism) को पूरी तरह से पुनर्गठित किया, जिससे यह बदल गया कि वे चीनी को कैसे संसाधित करते हैं और ऊर्जा कैसे उत्पन्न करते हैं। इन बेहद अलग रणनीतियों के बावजूद, शोधकर्ताओं ने कोशिकाओं के रसायन विज्ञान के भीतर एक आश्चर्यजनक सहमति पाई।

हालांकि कोशिकाओं के निर्माण के निर्देश समूहों के बीच अलग-अलग दिख रहे थे, लेकिन उनके भीतर वास्तविक रासायनिक परिवर्तन एक विशिष्ट मार्ग पर केंद्रित थे: ट्रिप्टोफैन (tryptophan) का चयापचय। ट्रिप्टोफैन एक अमीनो एसिड है, जो प्रोटीन के निर्माण खंड के रूप में कार्य करता है, लेकिन यह अन्य महत्वपूर्ण अणुओं के लिए एक अग्रदूत (precursor) के रूप में भी कार्य करता है। सभी दीर्घायु स्ट्रेनों में, शोधकर्ताओं ने ट्रिप्टोफैन के टूटने के तरीके में एक समन्वित बदलाव देखा। इस प्रक्रिया से कई संबंधित रसायनों के स्तर में परिवर्तन हुआ, जिनमें वे यौगिक शामिल हैं जो कोशिका के ऊर्जा संतुलन को बनाए रखने और ऑक्सीडेटिव तनाव से सुरक्षा प्रदान करने में मदद करते हैं। ऐसा प्रतीत होता है कि चाहे यीस्ट ने विकसित होने के लिए कौन सा भी मार्ग अपनाया हो—चाहे वह प्रोटीन उत्पादन को ट्यून करना हो, रखरखाव को बढ़ावा देना हो, या ऊर्जा प्रवाह को पुनर्गठित करना हो—वे सभी अपनी आयु बढ़ाने के लिए इस विशिष्ट रासायनिक मार्ग को समायोजित करने पर ही समाप्त हुए।

यह खोज बताती है कि तनाव के तहत उम्र बढ़ने की समस्या को हल करने के लिए प्रकृति में एक पदानुक्रम (hierarchy) होता है। एक साझा आधार है, जो संभवतः कोशिका के प्रोटीन बनाने वाली मशीनरी के प्रबंधन से जुड़ा है, जिस पर विभिन्न विकासवादी पथ बनाए जा सकते हैं। ये पथ सतह पर बहुत अलग दिख सकते हैं, लेकिन वे सभी एक सामान्य चयापचय समाधान की ओर जाते हैं जो ट्रिप्टोफैन और उससे बनने वाले ऊर्जा अणुओं पर केंद्रित है। वैज्ञानिकों के लिए, यह भविष्य के लिए एक स्पष्ट मानचित्र प्रदान करता है। बेहतर औद्योगिक यीस्ट बनाने के लिए किन जीनों को संपादित करना है, इसका अनुमान लगाने के बजाय, अब उनके पास एक विशिष्ट चयापचय लक्ष्य है। इस ट्रिप्टोफैन मार्ग को अनुकूलित करने के लिए यीस्ट स्ट्रेन को इंजीनियर करके, या इसे समर्थन देने वाले विशिष्ट पोषक तत्वों को जोड़कर, निर्माता संभावित रूप से ऐसे किण्वन कल्चर बना सकते हैं जो अधिक मजबूत हों, लंबे समय तक चलें और आधुनिक खाद्य एवं ईंधन उत्पादन में विशिष्ट उच्च-चीनी वाले वातावरण में अधिक पैदावार दें। यह अध्ययन इस दावे के साथ नहीं है कि इसने उम्र बढ़ने की समस्या को पूरी तरह से हल कर दिया है, बल्कि इसने एक विश्वसनीय, साझा तंत्र की पहचान की है जो जीवन को तब भी बने रहने की अनुमति देता है जब वातावरण अत्यधिक मीठा हो।