Biological characteristics and whole-genome sequencing analysis of an alpha-hemolytic Streptococcus pyogenes strain

अधिकांश लोग जानते हैं कि कुछ बैक्टीरिया खतरनाक होते हैं क्योंकि वे संक्रमण का कारण बन सकते हैं, लेकिन बहुत कम लोग यह महसूस करते हैं कि सूक्ष्मदर्शी (माइक्रोस्कोप) के नीचे इन कीटाणुओं का रूप कभी-कभी सबसे अनुभवी डॉक्टरों को भी धोखा दे सकता है। सबसे कुख्यात बैक्टीरिया में से एक Streptococcus pyogenes है, जो एक सामान्य गले के संक्रमण और एरिसिपelas (erysipelas) जैसे त्वचा के संक्रमण से लेकर गंभीर, जीवन के लिए खतरा पैदा करने वाली स्थितियों तक, बीमारियों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए जिम्मेदार है। एक मानक प्रयोगशाला सेटिंग में, वैज्ञानिक इस बैक्टीरिया की पहचान एक विशेष ब्लड अगर प्लेट (blood agar plate) पर इसके व्यवहार को देखकर करते हैं। आमतौर पर, जैसे-जैसे बैक्टीरिया बढ़ते हैं, वे एक टॉक्सिन छोड़ते हैं जो प्लेट में लाल रक्त कोशिकाओं को तोड़ देता है, जिससे कॉलोनी के चारों ओर एक स्पष्ट, रंगहीन घेरा बन जाता है। इस प्रभाव को बीटा-हेमोलिसिस (beta-hemolysis) कहा जाता है, और यह वह क्लासिक हस्ताक्षर है जो एक सूक्ष्मजीवविज्ञानी (microbiologist) को बताता है, "यह S. pyogenes है।" हालांकि, प्रकृति कभी-कभार एक ऐसा वेरिएंट बनाती है जो नियमों का पालन नहीं करता है। रक्त को साफ करने के बजाय, यह असामान्य संस्करण रक्त कोशिकाओं को बरकरार रखता है लेकिन उन्हें हल्का हरा कर देता है, जिसे अल्फा-हेमोलिसिस (alpha-hemolysis) के रूप में जाना जाता है। यह व्यवहार आमतौर पर उन हानिरहित बैक्टीरिया से जुड़ा होता है जो मानव मुख और गले में स्वाभाविक रूप से रहते हैं, जिससे एक खतरनाक संभावना पैदा होती है: S. pyogenes द्वारा होने वाले एक गंभीर संक्रमण को एक हानिरहित निवासी समझकर अनदेखा किया जा सकता है।

हैंग्जो, चीन में 903rd हॉस्पिटल ऑफ द जॉइंट लॉजिस्टिक सपोर्ट फोर्स के शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में इनमें से एक धोखेबाज मामले का सामना किया। उन्होंने एरिसिपelas (erysipelas), जो कि एक दर्दनाक बैक्टीरियल स्किन इन्फेक्शन है, से पीड़ित एक रोगी के त्वचा के स्राव से S. pyogenes के एक स्ट्रेन को अलग किया। जो बात इस मामले को उल्लेखनीय बनाती थी वह यह थी कि बैक्टीरिया ने ब्लड प्लेट पर अपेक्षित स्पष्ट घेरा नहीं दिखाया; इसके बजाय, उन्होंने हरापन लिए हुए अल्फा-हेमोलिसिस पैटर्न प्रदर्शित किया। यह पता लगाने के लिए कि क्या यह एक हानिरहित गलती थी या एक खतरनाक छद्मवेशी, वैज्ञानिकों ने इस स्ट्रेन को परीक्षणों की एक कठोर श्रृंखला के अधीन किया। उन्होंने उन्नत मास स्पेक्ट्रोमेट्री (mass spectrometry) का उपयोग किया, जो प्रोटीन के अद्वितीय रासायनिक फिंगरप्रिंट का विश्लेषण करके बैक्टीरिया की पहचान करती है, और प्रजाति की पुष्टि करने के लिए स्वचालित जैव रासायनिक प्रणालियों का उपयोग किया। दोनों विधियों ने सहमति व्यक्त की: अपने भ्रमित करने वाले रूप के बावजूद, जीव वास्तव में Streptococcus strepogenes ही था। यह समझने के लिए कि इस बैक्टीरिया ने अपना व्यवहार कैसे बदला और इसके पास अभी भी नुकसान पहुँचाने के लिए कौन से उपकरण मौजूद हैं, शोधकर्ताओं ने इसकी पूरी आनुवंशिक संरचना (genetic code) को अनुक्रमित (sequence) किया, यानी इसकी क्षमताओं का मानचित्र बनाने के लिए इसके डीएनए के हर अक्षर को पढ़ा।

आनुवंशिक विश्लेषण से पता चला कि यह अल्फा-हेमोलिटिक स्ट्रेन एक पूरी तरह से सुसज्जित रोगजनक (pathogen) था, जो अपने विशिष्ट बीटा-हेमोलिटिक चचेरे भाइयों की तरह ही खतरनाक शस्त्रागार लेकर चलता है। शोधकर्ताओं ने विभिन्न विरुलेंस फैक्टर्स (virulence factors) को उत्पन्न करने वाले जीन पाए, जो वे आणविक हथियार हैं जिनका उपयोग बैक्टीरिया शरीर में घुसपैठ करने के लिए करते हैं। इनमें वे एंजाइम शामिल थे जो ऊतक बाधाओं (tissue barriers) को तोड़ते हैं, जिससे बैक्टीरिया को फैलने में मदद मिलती है, और ऐसे टॉक्सिन्स जो लाल रक्त कोशिकाओं, श्वेत रक्त कोशिकाओं और प्लेटलेट्स को नष्ट कर सकते हैं। इस स्ट्रेन में सुपरएंटीजन (superantigens) के लिए जीन भी थे, जो शक्तिशाली टॉक्सिन्स हैं जो प्रतिरक्षा प्रणाली की एक बड़ी और संभावित रूप से खतरनाक अतिप्रतिक्रिया को ट्रिगर कर सकते हैं। दवा प्रतिरोध (drug resistance) के मामले में, बैक्टीरिया ने एक स्पष्ट पैटर्न दिखाया: यह एरिथ्रोमाइसिन (erythromycin) और टेट्रासाइक्लिन (tetracycline) जैसे कुछ सामान्य एंटीबायोटिक्स के प्रति प्रतिरोधी था, लेकिन यह पेनिसिलिन (penicillin) और अन्य मानक उपचारों के प्रति अत्यधिक संवेदनशील बना रहा। इसने पुष्टि की कि हालांकि बैक्टीरिया ने अपना बाहरी रूप बदल लिया था, लेकिन इसने गंभीर बीमारी पैदा करने की अपनी क्षमता नहीं खोई थी, और न ही यह प्राथमिक दवाओं के प्रति प्रतिरोधी हुआ था।

सबसे महत्वपूर्ण खोज इस बात को समझने में निहित थी कि इस बैक्टीरिया ने अपना सिग्नेचर स्पष्ट घेरा क्यों खो दिया। इस स्ट्रेन के आनुवंशिक अनुक्रम की अन्य ज्ञात स्ट्रेन के साथ तुलना करके, वैज्ञानिकों ने स्ट्रैप्टोलिसिन एस (streptolysin S) उत्पन्न करने वाले जीन में एक विशिष्ट, सूक्ष्म परिवर्तन का पता लगाया, जो वह टॉक्सिन है जो आमतौर पर रक्त प्लेट पर स्पष्ट क्षेत्र बनाता है। इस विशेष स्ट्रेन में, प्रोटीन श्रृंखला में एक बिल्डिंग ब्लॉक को बदल दिया गया था: एक विशिष्ट स्थिति पर सेरीन (serine) अणु को प्रोलाइन (proline) अणु द्वारा बदल दिया गया था। शोधकर्ता परिकल्पना करते हैं कि इस एकल प्रतिस्थापन ने संभवतः टॉक्सिन के कार्य को बाधित कर दिया, जिससे यह लाल रक्त कोशिकाओं को प्रभावी ढंग से तोड़ने में विफल रहा। यह छोटा सा आनुवंशिक बदलाव कॉलोनी के क्लासिक स्पष्ट घेरे को हरे रंग के अल्फा-हेमोलिसिस पैटर्न में बदलने के लिए पर्याप्त था, जिससे यह एक हानिरहित बैक्टीरिया जैसा दिखने लगा। हालांकि, अध्ययन ने पुष्टि की कि इस परिवर्तन ने मेजबान को संक्रमित करने या नुकसान पहुँचाने की बैक्टीरिया की समग्र क्षमता को कमजोर नहीं किया।

इस निष्कर्ष के निहितार्थ एक एकल असामान्य मामले से परे हैं। यह अध्ययन नैदानिक परीक्षणों में एक महत्वपूर्ण कमी (blind spot) को उजागर करता है। चूंकि प्रयोगशालाएं अक्सर गले या त्वचा से लिए गए नमल्स में S. pyogenes की पहचान करने के लिए बीटा-हेमोलिसिस के स्पष्ट घेरे पर निर्भर करती हैं, इसलिए एक अल्फा-हेमोलिटिक वेरिएंट को आसानी से अनदेखा किया जा सकता है या एक हानिरहित सहभोगी जीव (commensal organism) के रूप में गलत पहचाना जा सकता है। इससे रोगी को गलत नकारात्मक परिणाम मिल सकता है, जिससे आवश्यक उपचार में देरी हो सकती है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि इन मायावी स्ट्रेन को पकड़ने के लिए, चिकित्सा पेशेवरों को केवल दृश्य उपस्थिति पर निर्भर नहीं रहना चाहिए। इसके बजाय, वे पारंपरिक कल्चर विधियों को रैपिड एंटीजन टेस्ट और आणविक तकनीकों के साथ मिलाने की सिफारिश करते हैं जो सीधे बैक्टीरिया के आनुवंशिक पदार्थ की पहचान कर सकते हैं। इन बहुस्तरीय पहचान विधियों का उपयोग करके, डॉक्टर यह सुनिश्चित कर सकते हैं कि इस खतरनाक रोगजनक के सबसे छली वेरिएंट की भी सही पहचान हो सके, जिससे गलत निदान को रोका जा सके और रोगियों को प्रभावी एंटीबायोटिक थेरेपी मिल सके।