POGED: A Plant Orthologous Group Evolution Database

यह समझने के लिए कि भूमि पर जीवन का विकास कैसे हुआ, वैज्ञानिक अक्सर कोशिकाओं के भीतर मौजूद निर्देश पुस्तिकाओं की ओर देखते हैं: जीन। जिस तरह एक वंशावली यह बताती है कि लोग एक-दूसरे से कैसे संबंधित हैं, उसी तरह एक जीन वंशावली यह बताती है कि विशिष्ट जीन लाखों वर्षों में कैसे बदले और कितने बढ़े। जब एक प्रजाति दो में विभाजित होती है, तो उसके जीन भी विभाजित हो जाते; इन संबंधित जीनों को ऑर्थोलॉग्स (orthologs) कहा जाता है। विभिन्न पौधों के बीच इन ऑर्थोलॉग्स की तुलना करके, शोधकर्ता यह देख सकते हैं कि प्रकृति ने जीवों को नए वातावरणों में जीवित रहने में मदद करने के लिए जैविक कार्यों को कैसे बदला है, चाहे वह समुद्र की गहराइयाँ हों या सबसे शुष्क रेगिस्तान। हालाँकि, यह तुलना करना अविश्वत रूप से कठिन है। हज़ारों पौधों की प्रजातियाँ हैं, जिनमें से प्रत्येक में लाखों जीन हैं, और उन्हें खोजने के लिए जटिल कंप्यूटर कौशल की आवश्यकता होती है जो कई जीवविज्ञानियों के पास नहीं होता। एक स्पष्ट मानचित्र के बिना, डेटा की विशाल मात्रा में खो जाना आसान है, जिससे वे सूक्ष्म परिवर्तन छूट सकते हैं जो बताते हैं कि कोई फर्न (fern) फूल से अलग क्यों दिखता है या क्यों एक मॉस (moss) छाया में जीवित रहता है जबकि एक कैक्टस धूप में पनपता है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस समस्या को हल करने के लिए एक नया डिजिटल टूल बनाया है, जो पौधों और शैवाल की हरी दुनिया के बीच जीन संबंधों का एक व्यापक मानचित्र तैयार करता है। वे इसे प्लांट ऑर्थोलॉगस ग्रुप इवोल्यूशन डेटाबेस (Plant Orthologous Group Evolution Database), या POGED कहते हैं। वैज्ञानिकों को अपने आप जटिल कंप्यूटर प्रोग्राम चलाने के लिए मजबूर करने के बजाय, POGED पहले से ही सारा कठिन काम कर देता है। इसने 57 अलग-अलग प्रजातियों से आनुवंशिक डेटा एकत्र किया है, जिनमें सरल हरे शैवाल और मॉस से लेकर गेहूं, चावल और टमाटर जैसे जटिल पुष्पी पौधों तक शामिल हैं। यह डेटाबेस उन जीनों को समूहबद्ध करने के लिए शक्तिशाली सॉफ़्टवेयर का उपयोग करता है जो एक सामान्य पूर्वज साझा करते हैं और उन विशिष्ट कार्यात्मक भागों, या डोमेन (domains) की पहचान करता है जो प्रत्येक प्रोटीन को बनाते हैं। यह किसी भी शोधकर्ता को, चाहे उनकी तकनीकी पृष्ठभूमि कुछ भी हो, तुरंत यह देखने की अनुमति देता है कि एक विशिष्ट जीन परिवार हरी दुनिया के पूरे वृक्ष में कैसे विकसित हुआ है।

यह डेटाबेस एक अत्यधिक व्यवस्थित पुस्तकालय की तरह काम करता है जहाँ आप कई अलग-अलग तरीकों से जीन खोज सकते हैं। यदि किसी वैज्ञानिक के पास एक विशिष्ट जीन है जिसका वे अध्ययन कर रहे हैं, तो वे उसका नाम टाइप कर सकते हैं, और सिस्टम उन्हें तुरंत सभी 57 प्रजातियों में मिलान करने वाले जीन दिखा देगा। इसके बाद यह एक दृश्य वंशावली (visual family tree) प्रदान करता है कि वे जीन कैसे संबंधित हैं और आगे के अध्ययन के लिए वास्तविक अनुक्रमों (sequences) की एक सूची देता है। वैकल्पिक रूप से, यदि कोई शोधकर्ता एक विशिष्ट प्रकार के प्रोटीन निर्माण खंड (building block) में रुचि रखता है, तो वे उस घटक द्वारा खोज कर सकते हैं। सिस्टम फिर हर प्रजाति में उस विशिष्ट ब्लॉक को रखने वाले प्रत्येक प्रोटीन को खोज लेगा, जिससे यह पता चलेगा कि प्रोटीन के आसपास के हिस्से समय के साथ कैसे बदले हैं। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि इन निर्माण खंडों की व्यवस्था अक्सर यह निर्धारित करती है कि एक प्रोटीन क्या करता है। डेटाबेस वैज्ञानिकों को अपने स्वयं के आनुवंशिक डेटा को अपलोड करने की भी अनुमति देता है ताकि उनकी तुलना पहले से संग्रहीत 57 प्रजातियों के साथ की जा सके, या अध्ययन के लिए नए उम्मीदवारों को खोजने के लिए मानक समानता खोज (similarity searches) चलाई जा सके।

यह सिद्ध करने के लिए कि यह टूल काम करता है, शोधकर्ताओं ने MAPKs नामक जीनों के एक प्रसिद्ध समूह पर इसका परीक्षण किया, जो पौधों की कोशिकाओं के भीतर संदेशवाहक के रूप में कार्य करते हैं और तनाव एवं विकास संकेतों के प्रति प्रतिक्रिया करने में मदद करते हैं। जब उन्होंने इन जीनों को देखने के लिए POGED का उपयोग किया, तो डेटाबेस ने उन्हें उनकी आंतरिक संरचना के आधार पर दो प्रमुख परिवारों में सही ढंग से वर्गीकृत किया, जो उन तथ्यों से मेल खाता था जिन्हें वैज्ञानिक वर्षों के मैनुअल शोध से जानते थे। इसने पुष्टि की कि डेटाबेस सटीक रूप से विभिन्न विकासवादी शाखाओं के बीच अंतर कर सकता है। टीम ने इस टूल का उपयोग एक विशिष्ट प्रोटीन निर्माण खंड को देखने के लिए किया जो कई पौधों के एंजाइमों में पाया जाता है। उन्होंने पाया कि हालांकि यह मुख्य ब्लॉक सामान्य है, लेकिन अलग-अलग पौधों में इसे अक्सर अलग-अलग "सहायक" (accessory) ब्लॉकों के साथ जोड़ा जाता है। उदाहरण के लिए, कुछ पौधों में, इसे उन ब्लॉकों के साथ जोड़ा जाता है जो पौधे को बाहरी दुनिया को महसूस करने में मदद करते हैं, जबकि अन्य में, इसे उन ब्लॉकों के साथ जोड़ा जाता है जो इसे बैक्टीरिया को पहचानने में मदद करते हैं। इस पैटर्न ने खुलासा किया कि पौधों ने इन मॉड्यूलर भागों को पुनर्व्यवस्थित करके अपने पर्यावरण को महसूस करने के नए तरीके कैसे विकसित किए हैं।

शोधकर्ताओं ने भूमि पर पौधों के जीवित रहने के इतिहास को समझने के लिए भी POGED का उपयोग किया। पत्तियों पर छोटे छिद्रों, जिन्हें स्टोमेटा (stomata) कहा जाता है, को बंद करने में शामिल जीनों के विकास का पता लगाकर, डेटाबेस ने इस बात की पुष्टि करने में मदद की कि सूखे के संकेतों के जवाब में इन छिद्रों को बंद करने की क्षमता भूमि पौधों के पूर्वजों में मौजूद थी, जो पुष्पी पौधों के आने से बहुत पहले की बात है। इसके अलावा, टूल ने यह उजागर करने में मदद की कि कैसे कुछ फर्न ने नीली रोशनी के जवाब में अपने स्टोमेटा को बहुत तेज़ी से खोलने के लिए विकसित किया। विश्लेषण ने दिखाया कि इन फर्नों ने जीन के कई दौर के दोहराव (duplication) को अंजाम दिया, जिससे उन्हें तीव्र प्रतिक्रिया के लिए आवश्यक जीनों की अतिरिक्त प्रतियाँ मिलीं। इस आनुवंशिक बढ़त ने संभवतः उन्हें जंगल के फर्श की कम रोशनी वाली स्थितियों में पनपने में मदद की, जिससे वे आज पृथ्वी पर पौधों के सबसे विविध समूहों में से एक बन गए।

POGED का निर्माण पादप विज्ञान के लिए एक महत्वपूर्ण कदम है क्योंकि यह जटिल विकासवादी डेटा को सभी के लिए सुलभ बनाता है। 57 प्रतिनिधि प्रजातियों से डेटा को एकीकृत करके और जीनों के रिश्तेदारों को खोजने के कठिन कार्य को स्वचालित करके, यह डेटाबेस वैज्ञानिकों को डेटा प्रोसेसिंग के बजाय खोज पर ध्यान केंद्रित करने की अनुमति देता है। इसका उपयोग पहले से ही उन जीनों की पहचान करने के लिए किया जा चुका है जो पौधों को नमक, गर्मी और भारी धातुओं को सहन करने में मदद करते हैं, और यह समझने के लिए भी कि पौधे एक-दूसरे के साथ कैसे संवाद करते हैं। जैसे-जैसे अधिक जीनोम अनुक्रमित किए जाएंगे और संग्रह में जोड़े जाएंगे, यह टूल पौधों के विकास और अनुकूलन को समझने के लिए एक केंद्रीय केंद्र के रूप में कार्य करना जारी रखेगा, जो सैकड़ों लाखों वर्षों में हरी दुनिया के परिवर्तन का एक स्पष्ट दृश्य प्रदान करेगा।