Identifying Multitargeting Inhibitors against Targets Involved in the Quorum-Sensing Pathway of Pseudomonas aeruginosa

बैक्टीरिया एकाकी घुमक्कड़ नहीं हैं; वे सामाजिक प्राणी हैं जो अपने व्यवहार को समन्वित करने के लिए संवाद करते हैं। जब बैक्टीरिया की आबादी पर्याप्त घनी हो जाती है, तो वे रासायनिक संकेत छोड़ते हैं जो एक जनगणना की तरह कार्य करते हैं, जिससे समूह के प्रत्येक सेल को पता चलता है कि उनके कितने पड़ोसी मौजूद हैं। एक बार जब एक महत्वपूर्ण सीमा (थ्रेशोल्ड) प्राप्त हो जाती है, तो पूरा समुदाय एक सामूहिक कार्यक्रम को सक्रिय कर देता है। स्यूडोमोनास एरुगिनोसा (Pseudomonas aeruginosa) के मामले में, जो एक सामान्य और खतरनाक बैक्टीरिया है, यह स्विच विषाक्त पदार्थों (टॉक्सिन्स) के उत्पादन और एक सुरक्षात्मक चिपचिपी परत जिसे बायोफिल्म कहा जाता है, के निर्माण को ट्रिगर करता है। यह समन्वित हमला बैक्टीरिया को अविश्वसनीय रूप से कठिन बना देता है, क्योंकि बायोफिल्म उन्हें एंटीबायोटिक्स और प्रतिरक्षा प्रणाली से बचाती है। दशकों से, डॉक्टर इन बैक्टीरिया को मारने के लिए पारंपरिक एंटीबायोटिक्स का उपयोग करने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन सूक्ष्मजीव इन हथियारों का विरोध करने के लिए विकसित हो गए हैं, अक्सर दवाओं को बाहर पंप करके या अपनी आंतरिक मशीनरी को बदलकर। वैज्ञानिक अब एक अलग रणनीति की तलाश कर रहे हैं: बैक्टीरिया को मारने के बजाय, वे उनकी बातचीत को चुप कराने (साइलेंस करने) की कोशिश कर रहे हैं। यदि बैक्टीरिया संवाद नहीं कर सकते, तो वे अपने हमले को संगठित नहीं कर सकते, और वे फिर से असुरक्षित हो जाते हैं।

चुनौती यह है कि स्यूडोमोनास एरुगिनोसा केवल एक संचार चैनल पर निर्भर नहीं है। यह चार परस्पर जुड़े हुए सिग्नलिंग सिस्टम के एक जटिल नेटवर्क का उपयोग करता है, जिसमें से प्रत्येक के पास अपने स्वयं के रासायनिक संदेशवाहक और प्राप्तकर्ता होते हैं। यदि कोई दवा केवल एक रिसीवर को ब्लॉक करती है, तो बैक्टीरिया बात करना जारी रखने के लिए दूसरे चैनल पर स्विच कर सकता है, जिससे उपचार बेकार हो जाता है। इस दृष्टिकोण से निपटने के लिए, शोधकर्ताओं को एक साथ पूरे नेटवर्क को बाधित करने के तरीके की आवश्यकता थी। दिल्ली के इंद्रप्रस्थ सूचना प्रौद्योगिकी संस्थान के वैज्ञानिकों की एक टीम ने ऐसे प्राकृतिक यौगिकों को खोजने के लिए प्रयास किया जो 'मल्टीटारगेट इनहिबिटर' के रूप में कार्य कर सकें, जिसका अर्थ है एक एकल अणु जो बैक्टीरिया के संचार तंत्र के कई हिस्सों को एक साथ जाम कर सके। वे भारतीय औषधीय पौधों से प्राप्त रासायनिक संरचनाओं के एक विशाल डिजिटल पुस्तकालय की ओर मुड़े, और उस सुई की तलाश में थे जो बैक्टीरिया को उसके कदमों पर रोक सके।

शोधकर्ताओं ने बैक्टीरिया के संचार नेटवर्क का एक डिजिटल मानचित्र बनाना शुरू किया। उन्होंने ग्यारह प्रमुख प्रोटीनों की पहचान की जो चार अलग-अलग सिग्नलिंग सिस्टम के लिए रिसीवर और प्रोसेसर के रूप में कार्य करते हैं। चूंकि इनमें से कुछ प्रोटीनों की भौतिक संरचना कभी प्रयोगशाला में कैप्चर नहीं की गई थी, इसलिए टीम ने उनके आनुवंशिक ब्लूप्रिंट के आधार पर सटीक त्रि-आयामी प्रतिकृतियां बनाने के लिए कंप्यूटर मॉडलिंग का उपयोग किया। इसके बाद उन्होंने 'इंडियन मेडिसिनल प्लांट्स, फाइटोकेमिस्ट्री एंड थेरेप्यूटिक्स' डेटाबेस से लगभग अठारह हजार प्राकृतिक यौगिकों के एक विशाल संग्रह को लिया और उन्हें एक वर्चुअल स्क्रीनिंग प्रक्रिया से गुजारा। यह एक विशाल चाबियों के गुच्छे में से हर चाबी को ग्यारह अलग-अलग टंबलर वाले एक जटिल ताले के खिलाफ परीक्षण करने जैसा था, यह देखते हुए कि कौन सी चाबियाँ एक ही समय में एक से अधिक तालों को खोल सकती हैं। लक्ष्य ऐसे पादप-व्युत्पन्न अणुओं को खोजना था जो इन बैक्टीरियल प्रोटीनों से मजबूती से जुड़ सकें और उन्हें कार्य करने से रोक सकें।

इस व्यापक स्क्रीनिंग से दो प्राकृतिक यौगिक सबसे आशाजनक उम्मीदवारों के रूप में उभरे। पहला 'कैलमैनसैनिन' (calamansanin) था, जो एक प्रकार का फिनोलिक यौगिक है, और दूसरा 'क्लीविमीन' (clivimine) था, जो एक एल्कलॉइड है। इन दोनों अणुओं ने बैक्टीरिया के संचार नेटवर्क के भीतर आठ अलग-अलग लक्ष्यों से जुड़ने की क्षमता दिखाई। यह सुनिश्चित करने के लिए कि ये निष्कर्ष केवल कंप्यूटर मॉडल का संयोग नहीं हैं, शोधकर्ताओं ने आणविक गतिशीलता सिमुलेशन (molecular dynamics simulations) का उपयोग करके इन यौगिकों का कठोर परीक्षण किया। उन्होंने सैकड़ों मिलियन सिम्युलेटेड चरणों में बैक्टीरियल प्रोटीनों के साथ इन यौगिकों की अंतःक्रिया को देखा, यह देखते हुए कि क्या बंधन मजबूत रहते हैं या टूट जाते हैं। परिणामों ने दिखाया कि कैलमैनसैनिन और क्लीविमीन दोनों ने बैक्टीरियल लक्ष्यों के साथ स्थिर, लंबे समय तक चलने वाले संबंध बनाए। वे केवल सतह पर नहीं चिपके; वे प्रोटीनों की सक्रिय पॉकेटों में बैठ गए, जिससे प्रभावी रूप से उन प्राकृतिक संकेतों को रोका गया जिनकी बैक्टीरिया को अपने हमले का समन्वय करने के लिए आवश्यकता होती है।

अध्ययन यह समझने के लिए और गहरा गया कि ये अणु कैसे पकड़े रहते हैं। अंतःक्रियाओं की ऊर्जा का विश्लेषण करके, टीम ने पाया कि यौगिकों को विद्युत बलों और प्रोटीन सतहों के साथ भौतिक संपर्क के संयोजन द्वारा स्थिर रखा गया था। सिमुलेशन ने खुलासा किया कि यौगिकों के बंधे होने पर बैक्टीरियल प्रोटीन स्थिर रहे और वे टूटे नहीं या नाटकीय रूप से आकार नहीं बदला, जो यह सुझाव देता है कि अवरोधक (इनहिबिटर्स) प्रोटीन संरचना को नष्ट किए बिना अपना काम कर रहे थे। एक प्रोटीन, PqsH, ने अन्य की तुलना में थोड़ा अधिक लचीलापन दिखाया, लेकिन वह भी सुरक्षित रूप से बंधा रहा। शोधकर्ताओं ने इन यौगिकों के सुरक्षा प्रोफाइल की भी जांच की, यह देखते हुए कि वे मानव शरीर में कैसे व्यवहार कर सकते हैं। उन्होंने पाया कि दोनों अणुओं में ऐसे गुण थे जो बताते थे कि उन्हें शरीर द्वारा अवशोषित किया जा सकता है और उनसे तत्काल विषाक्तता होने की संभावना नहीं है, हालांकि वे मस्तिष्क में बाधा को आसानी से पार नहीं कर पाएंगे।

हालांकि कंप्यूटर सिमुलेशन ने मजबूत साक्ष्य प्रदान किए, शोधकर्ता इस बात पर ध्यान देने में सावधानी बरतते हैं कि ये परिणाम वर्तमान में डिजिटल क्षेत्र तक सीमित हैं। यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि इन प्राकृतिक यौगिकों में शक्तिशाली 'एंटीविरुलेंस एजेंट' के रूप में कार्य करने की सैद्धांतिक क्षमता है, जो एक दवा-प्रतिरोधी बैक्टीरिया के जटिल सामाजिक नेटवर्क को बाधित करने में सक्षम हैं। यह कार्य पारंपरिक औषधीय पौधों के अनछुए मूल्य पर प्रकाश डालता है, जो दिखाता है कि प्रकृति आधुनिक समस्याओं जैसे एंटीबायोटिक प्रतिरोध को हल करने की कुंजी रख सकती है। टीम ने निष्कर्ष निकाला कि एक साथ बैक्टीरिया के संचार तंत्र के कई हिस्सों को लक्षित करके, बायोफिल्म बनाने और विषाक्त पदार्थ छोड़ने से रोका जा सकता है, जो सुपरबग्स के खिलाफ लड़ाई में एक नया रास्ता प्रदान करता है। भविष्य के कार्यों के लिए इन यौगिकों को वास्तविक प्रयोगशाला प्रयोगों में परीक्षण करने की आवश्यकता होगी ताकि यह पुष्टि की जा सके कि वे जीवित प्रणाली में बैक्टीरिया को रोक सकते हैं, लेकिन कंप्यूटर मॉडलों ने इस नए दृष्टिकोण के लिए एक स्पष्ट और सम्मोहक शुरुआती बिंदु प्रदान किया है।