Coordination between surface glycopolymer and cell wall biogenesis modulates cell envelope integrity and virulence in Streptococcus pneumoniae

प्रत्येक जीवाणु (बैक्टीरियम) एक कठोर, सुरक्षात्मक कवच में लिपटा होता है जिसे कोशिका आवरण (सेल एनवेलप) कहा जाता है। यह अवरोध सूक्ष्मजीव के लिए जीवन और मृत्यु के बीच का अंतर है, जो इसे बाहरी कठोर वातावरण से बचाता है और इसके अपने आंतरिक तरल पदार्थों के दबाव को थामे रखता है। कई जीवाणुओं के लिए, जिसमें खतरनाक रोगजनक स्ट्रेप्टोकोकस न्यूमोनी (Streptococcus pneumoniae) भी शामिल है, यह कवच एक जटिल, बहु-परतीय संरचना है। सबसे भीतरी परत एक लचीली झिल्ली है, लेकिन बाहरी कवच शर्करा और पेप्टाइड श्रृंखलाओं से बनी एक मोटी, जालीदार दीवार है, जिसे पेप्टिडोग्लाइकन (peptidoglycan) के रूप में जाना जाता है। यह दीवार इतनी महत्वपूर्ण है कि हमारे कई सबसे शक्तिशाली एंटीबायोटिक्स इसी को तोड़कर काम करते हैं। हालाँकि, बैक्टीरिया ने इन दवाओं का विरोध करना सीख लिया है, जिससे वैज्ञानिक इस बात की गहराई में जाने के लिए मजबूर हुए हैं कि ये सूक्ष्म किले कैसे बनाए और बनाए रखे जाते हैं। जीवित रहने के लिए, एक जीवाणु को न केवल अपनी दीवार बनानी होती है, बल्कि इसके ऊपर स्थित अन्य सतह परतों के निर्माण का समन्वय भी करना होता है, जैसे कि लंबी, धागे जैसी पॉलीमर जिन्हें वॉल टीकोइक एसिड (wall teichoic acids) कहा जाता है। इन विभिन्न निर्माण दलों को सिंक्रोनाइज़ करने का तरीका खो देने के बिना, कोशिका भित्ति कमजोर हो जाती है, कोशिका अपना आकार खो देती है, और जीव मर जाता है।

मैसाचुसेट्स मेडिकल स्कूल और कोलंबिया यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने स्ट्रेप्टोकोकस न्यूमोनी में इन दो निर्माण प्रक्रियाओं के बीच एक महत्वपूर्ण कड़ी का पता लगाया है। उन्होंने खोजा कि वॉल टीकोइक एसिड बनाने के लिए जिम्मेदार मशीनरी अलग-थも नहीं काम करती है; इसके बजाय, यह पेप्टिडोग्लाइकन दीवार बनाने वाले एंजाइमों के साथ भौतिक रूप से जुड़ जाती है। यह जुड़ाव एक नियामक ब्रेक (regulatory brake) के रूप में कार्य करता है, यह सुनिश्चित करता है कि दीवार एक स्थिर, सुरक्षित गति से बढ़े। जब यह लिंक टूट जाता है, तो दीवार बनाने वाले एंजाइम अनियंत्रित होकर काम करने लगते हैं, जिससे सामग्री का एक अराजक और विषाक्त संचय होता है जो अंततः कोशिका को नष्ट कर देता है। यह खोज बताती है कि बैक्टीरिया जीवित रहने के लिए कैसे संघर्ष करते हैं, जो इस समन्वय को बाधित करके बैक्टीरिया को मारने के लिए दवाओं को डिजाइन करने के लिए एक नया दृष्टिकोण प्रदान करती है।

शोधकर्ताओं ने शुरुआत यह देखने से की कि क्या होता है जब बैक्टीरिया वॉल टीकोइक एसिड पर्याप्त मात्रा में नहीं बना पाते हैं। सामान्य कोशिकाओं में, इन एसिड को LytR नामक एक विशिष्ट एंजाइम सहित पेप्टिडोग्लाइकैन दीवार से जोड़ा जाता है। टीम ने ऐसे बैक्टीरियल स्ट्रेन बनाए जहाँ इन एसिड का उत्पादन कम कर दिया गया था। जैसा कि अपेक्षित था, इन कोशिकाओं में तनाव के लक्षण दिखाई दिए, लेकिन जब उन्होंने कोशिकाओं को अपनी दीवार बनाते हुए देखा, तो एक आश्चर्यजनक अवलोकन सामने आया। एक फ्लोरोसेंट डाई का उपयोग करते हुए जो नए दीवार सामग्री में शामिल होने पर चमकती है, उन्होंने देखा कि कम वॉल टीकोइक एसिड वाली कोशिकाएं स्वस्थ कोशिकाओं की तुलना में बहुत तेजी से और अधिक अराजक तरीके से अपनी दीवारें बना रही थीं। दीवार मोटी और अव्यवस्थित होती जा रही थी, जो इस बात का संकेत था कि निर्माण मशीनरी नियंत्रण से बाहर हो रही है।

यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों हो रहा था, वैज्ञानिकों ने उन उत्परिवर्तनों (mutations) की तलाश की जो इस समस्या को ठीक कर सकें। उन्होंने दोषपूर्ण बैक्टीरिया को एक डिटर्जेंट और एक एंटीबायोटिक की हल्की खुराक वाले प्लेट पर उगाया, जो स्थितियाँ आमतौर पर उन्हें मार देती हैं। कुछ दुर्लभ उत्तरजीवी (survivors) दिखाई दिए। जब शोधकर्ताओं ने उन उत्तरजीवियों के डीएनए का अनुक्रमण (sequencing) किया, तो उन्होंने पाया कि प्रत्येक में Pbp1a नामक एक विशिष्ट एंजाइम में छोटा सा बदलाव था। यह एंजाइम पेप्टिडोग्लाइकैन दीवार बनाने वाला एक प्रमुख निर्माता है। उत्तरजीवियों में पाए गए उत्परिवर्तन उन सभी में स्थित थे जो शर्करा श्रृंखलाओं को जोड़ने के लिए जिम्मेदार भाग में थे। इन उत्परिवर्तित एंजाइमों का परीक्षण करके, टीम ने पुष्टि की कि वे सामान्य संस्करण की तुलना में अधिक धीरे काम करते थे। इससे सिद्ध हुआ कि दोषपूर्ण कोशिकाओं में समस्या निर्माण सामग्री की कमी नहीं थी, बल्कि दीवार बनाने वाला एंजाइम बहुत अधिक सक्रिय था। वॉल टीकोइक एसिड, जैसा कि पता चला, सामान्य रूप से इस एंजाइम को रोककर रखता है, जिससे यह दीवार को बहुत तेजी से बनाने से रोकता है।

अगला प्रश्न यह था कि ये दो अलग-अलग प्रणालियाँ—वॉल टीकोइक एसिड निर्माता और दीवार निर्माता—कैसे संवाद करती हैं। शोधकर्ताओं को संदेह था कि वे भौतिक रूप से एक-दूसरे को छू रही होंगी। उन्होंने एंजाइमों को फ्लोरोसेंट मार्करों के साथ टैग किया और उन्हें सूक्ष्मदर्शी के नीचे देखा। उन्होंने देखा कि वॉल टीकोइक एसिड बनाने वाले एंजाइम और दीवार बनाने वाले एंजाइम Pbp1a, कोशिका पर एक ही स्थान पर स्थित थे, ठीक वहीं जहाँ नई दीवार बनाई जा रही है। यह साबित करने के लिए कि वे परस्पर क्रिया (interact) कर रहे हैं, टीम ने टेस्ट ट्यूब में इन प्रोटीनों को मिलाया और एक ऐसी तकनीक का उपयोग किया जो एक-दूसरे से चिपके हुए प्रोटीनों को बाहर निकालती है। उन्होंने पाया कि वॉल टीकोइक एसिड एंजाइम और Pbp1a एक स्थिर कॉम्प्लेक्स (complex) बनाते हैं, जो एक एकल मशीन की तरह आपस में जुड़े रहते हैं। यह कॉम्प्लेक्स सुनिश्चित करता है कि जैसे-जैसे दीवार बढ़ती है, सतह के एसिड भी उसी समय जोड़े जाते हैं, जिससे संरचना संतुलित रहती है।

अध्ययन ने यह भी दिखाया कि यह समन्वय बैक्टीरिया की बीमारी फैलाने की क्षमता के लिए आवश्यक है। जब शोधकर्ताओं ने उन बैक्टीरिया के साथ कीट लार्वा (insect larvae) को संक्रमित किया जिनमें वॉल टीकोइक एसिड का स्तर कम था, तो कीट सामान्य बैक्टीरिया से संक्रमित होने की तुलना में बहुत लंबे समय तक जीवित रहे। दोषपूर्ण बैक्टीरिया मानव फेफड़ों की कोशिकाओं से चिपकने और अपने वातावरण से नया डीएनए लेने में भी कम सक्षम थे, जो एक ऐसी प्रक्रिया है जो उन्हें दवाओं के प्रति प्रतिरोध विकसित करने में मदद करती है। यह सुझाव देता है कि दीवार और सतह के एसिड के बीच का समन्वय केवल कोशिका को टूटने से बचाने के बारे में नहीं है; यह एक प्रमुख कारक है कि कैसे बैक्टीरिया मेजबानों को संक्रमित करते हैं और जंगल में जीवित रहते हैं।

शोधकर्ताओं ने एक मॉडल प्रस्तावित किया जहाँ वॉल टीकोइक एसिड, दीवार बनाने वाले एंजाइम पर एक भौतिक बाधा के रूप में कार्य करते हैं। जैसे ही एंजाइम दीवार में नई शर्करा श्रृंखलाएं जोड़ने की कोशिश करता है, भारी, आवेशित (charged) वॉल टीकोइक एसिड बाधा उत्पन्न करते हैं, जिससे एंजाइम की गति धीमी हो जाती है। इन एसिड के बिना, एंजाइम स्वतंत्र रूप से काम करता है, बहुत अधिक सामग्री बहुत जल्दी जोड़ता है, जिससे एक विषाक्त संचय होता है जो कोशिका को फाड़ देता है। यह तंत्र बताता है कि जब समन्वय खो जाता है तो बैक्टीरिया क्यों मर जाते हैं। निष्कर्ष यह भी सुझाव देते हैं कि एंजाइम Pbp1a इस प्रक्रिया में एक केंद्रीय केंद्र (hub) है, और दीवार टीकोइक एसिड मशीनरी के साथ इसके संपर्क को बाधित करना बैक्टीरिया को मारने का एक शक्तिशाली तरीका हो सकता है।

यह कार्य एक स्पष्ट चित्र प्रदान करता है कि कैसे एक जीवाणु अपनी विभिन्न परतों को सिंक्रोनाइज़ करता है। यह दिखाता है कि कोशिका केवल अपनी दीवार और अपनी सतह को अलग-अलग नहीं बनाती है; यह दोनों प्रक्रियाओं को जोड़ने के लिए एक भौतिक कॉम्प्लेक्स का उपयोग करती है। जब यह लिंक टूट जाता है, तो कोशिका अपने विकास को नियंत्रित करने की क्षमता खो देती है और असुरक्षित हो जाती है। नए एंटीबायोटिक्स विकसित करने वाले वैज्ञानिकों के लिए, यह एक नया लक्ष्य है। केवल दीवार बनने से रोकने के बजाय, दवाओं को दीवार निर्माता और सतह एसिड निर्माता के बीच के संबंध को तोड़ने के लिए डिजाइन किया जा सकता है। इससे दीवार अनियंत्रित होकर बढ़ने लगेगी, जिससे बैक्टीरिया अंदर से मर जाएंगे। अध्ययन इस बात पर प्रकाश डालता है कि जीवाणु कोशिका के विभिन्न भागों के बीच के भौतिक संबंधों को समझना उतना ही महत्वपूर्ण है जितना कि स्वयं उन भागों को समझना।