Functional profiling of spacecraft cleanroom microbiomes through genome‑wide phenotype predictions

जब हम किसी अन्य दुनिया में अंतरिक्ष यान भेजते हैं, तो हम एक छिपा हुआ कार्गो साथ ले जाते हैं: सूक्ष्म जीवन। सबसे स्वच्छ असेंबली रूम में भी, जहाँ तकनीशियन फुल-बॉडी सूट पहनते हैं और सतहों को अत्यधिक सावधानी से साफ करते हैं, वहाँ फर्श, दीवारों और उपकरणों से सूक्ष्म बैक्टीरिया और कवक चिपके रहते हैं। दशकों से, अंतरिक्ष एजेंसियां इस बात को लेकर चिंतित रही हैं कि यदि कोई प्रोब मंगल जैसे ग्रह पर उतरता है, तो ये साथ चलने वाले सूक्ष्मजीव यात्रा में जीवित रह सकते हैं, जाग सकते हैं और अपनी संख्या बढ़ा सकते हैं, जिससे संभावित रूप से विदेशी वातावरण दूषित हो सकता है और मूल जीवन की हमारी खोज भ्रमित हो सकती है। इस चिंता को 'फॉरवर्ड कंटैमिनेशन' (अग्रिम संदूषण) के रूप में जाना जाता है। कितने सूक्ष्मजीव मौजूद हैं, इसकी जांच करने के लिए वर्तमान मानक एक सरल परीक्षण पर निर्भर करता है: नमूने को अधिकांश जीवित चीजों को मारने के लिए गर्म करना, और फिर यह देखना कि कौन से बीजाणु बनाने वाले (स्पोर-फॉर्मिंग) बैक्टीरिया जीवित रहकर पेट्री डिश पर उगते हैं। यह विधि बीजाणु बनाने वाले कठिन जीवों को खोजने के लिए अच्छी तरह काम करती है, लेकिन यह उन अन्य बड़ी संख्या में सूक्ष्मजीवों को छोड़ देती है जो बीजाणु नहीं बनाते, फिर भी अंतरिक्ष की कठोर परिस्थितियों और यूरोपा जैसे चंद्रमाओं के बर्फीले, नमकीन महासागरों में जीवित रहने के लिए पर्याप्त मजबूत हो सकते हैं।

यूरोप और यूनाइटेड किंगडम के शोधकर्ताओं की एक टीम का एक नया अध्ययन इस कमी को दूर करने के लिए सीधे उन सूक्ष्मजीवों के जेनेटिक ब्लूप्रिंट (आनुवंशिक खाके) को देखता है जो यूरोपीय अंतरिक्ष एजेंसी के JUICE मिशन की तैयारी के दौरान क्लीनरूम में पाए गए थे। इन जीवों को लैब में उगाने के बजाय, वैज्ञानिकों ने पूरे सूक्ष्मजीवी समुदाय के डीएनए को पढ़ने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटरों का उपयोग किया। उन्होंने एक नए प्रकार के डिजिटल टूल का निर्माण किया जो बैक्टीरिया के लिए एक 'भाग्य बताने वाले' (फॉरट्यून टेलर) की तरह काम करता है, जो यह भविष्यवाणी करता है कि किन विशिष्ट आनुवंशिक लक्षणों के कारण वे अत्यधिक ठंड, सूखने या उच्च नमक के स्तर में जीवित रह सकते हैं। कुरू, फ्रेंच गुयाना में लॉन्च सुविधा के फर्श पर पाए गए सूक्ष्मजीवों पर इस टूल को लागू करके, टीम ने पाया कि संदूषण का जोखिम पहले की तुलना में अधिक जटिल है। उन्होंने पाया कि कुछ सामान्य त्वचा बैक्टीरिया, जो आमतौर पर हानिरहित लगते हैं, उनमें उत्तरजीविता के कौशलों का एक आश्चर्यजनक संयोजन है जो उन्हें बृहस्पति के बर्फीले चंद्रमाओं की यात्रा को सहने की अनुमति दे सकता है।

शोधकर्ताओं ने दो विशिष्ट क्लीनरूम में फर्श के बड़े क्षेत्रों को स्वाब (स्वैब) करके शुरुआत की जहाँ JUICE अंतरिक्ष यान को असेंबल किया जा रहा था। उन्होंने डीएनए निकालने के लिए पर्याप्त सामग्री एकत्र की और फिर उसे अनुक्रमित (सीक्वेंस) किया, जिससे लाखों सूक्ष्मजीव अंशों के जेनेटिक कोड को पढ़ा गया। चूंकि डीएनए की मात्रा बहुत कम थी और वातावरण बहुत स्वच्छ था, इसलिए उन्हें वास्तविक सूक्ष्मजीवों को बैकग्राउंड शोर से अलग करने के लिए अत्यधिक सावधानी बरतनी पड़ी। उन्नत सॉफ्टवेयर का उपयोग करते हुए, उन्होंने 183 आंशिक जीनोम को जोड़ा, जो एक पहेली (जिगसॉ पजल) की तरह हैं, जहाँ वे विस्तार से अध्ययन करने के लिए 25 पूर्ण रूप से पर्याप्त चित्रों को पुनर्गठित करने में सफल रहे। ये पुनर्गठित जीनोम फर्श पर रहने वाले वास्तविक सूक्ष्मजीवों का प्रतिनिधित्व करते थे, जिनमें Cutibacterium acnes और Staphylococcus के विभिन्न प्रकार शामिल थे, जो आमतौर पर मानव त्वचा पर पाए जाते हैं।

एक बार जब उनके पास ये जेनेटिक ब्लूप्रिंट आ गए, तो टीम ने एक नया मशीन लर्निंग सिस्टम लागू किया जिसे उन्होंने विकसित किया था। इस सिस्टम को हजारों ज्ञात बैक्टीरिया पर प्रशिक्षित किया गया था ताकि वे विशिष्ट आनुवंशिक पैटर्न को पहचान सकें जो किसी सूक्ष्मजीव की कठोर परिस्थितियों में जीवित रहने की क्षमता का संकेत देते हैं। शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर से छह प्रमुख लक्षणों को देखने के लिए कहा: ऑक्सीजन के बिना जीवित रहने की क्षमता, सरल रसायनों से अपना भोजन स्वयं बनाने की क्षमता, जमा देने वाले तापमान में जीवित रहना, सूखने का सामना करना, उच्च नमक सांद्रता को संभालना, और सुरक्षात्मक बीजाणु (स्पोर्स) बनाना। कंप्यूटर ने 25 पुनर्गठित जीनोम का विश्लेषण किया और पाया कि उनमें से कई में एक साथ कई उत्तरजीविता लक्षण मौजूद थे। उदाहरण के लिए, Staphylococcus के कुछ स्ट्रेन और Romboutsia नामक एक बैक्टीरिया में ऑक्सीजन के बिना जीवित रहने, सूखने का विरोध करने, उच्च नमक को सहन करने और Romboutsia के मामले में, बीजाणु बनाने की क्षमता होने की भविष्यवाणी की गई।

अध्ययन से पता चला कि ये सूक्ष्मजीव केवल सुप्त यात्री नहीं थे; कुछ नमूना लेने के समय सक्रिय रूप से बढ़ रहे थे। शोधकर्ताओं ने गणना की कि 25 में से 16 पुनर्गठित जीनोम सक्रिय प्रतिकृति (रेप्लिकेशन) के संकेत दिखा रहे थे, जिसका अर्थ था कि कोशिकाएं विभाजित हो रही थीं। हालांकि फर्श पर सबसे प्रचुर मात्रा में मौजूद सूक्ष्मजीव आवश्यक रूप से सबसे खतरनाक लक्षणों वाले नहीं थे, लेकिन वे जिनमें कई उत्तरजीविता कौशल थे, वे महत्वपूर्ण संख्या में मौजूद थे। टीम ने अपने निष्कर्षों की तुलना अन्य स्रोतों, जिसमें अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन और विभिन्न मानव त्वचा अध्ययनों से प्राप्त 1,868 जीनोम के विशाल संग्रह से की। उन्होंने पाया कि लॉन्च साइट पर मौजूद सूक्ष्मजीवों में लक्षणों का एक अनूठा मिश्रण था, जिसमें ठंड और नमकीन परिस्थितियों में जीवित रहने की उच्च-से-अधिक अपेक्षा की जाने वाली क्षमता शामिल थी, जो बृहस्पति के चंद्रमाओं में पाई जाने वाली सटीक स्थितियां हैं।

इस कार्य का एक सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्ष यह है कि किसी सूक्ष्मजीव का नाम जानना ही उसके द्वारा उत्पन्न जोखिम का आकलन करने के लिए पर्याप्त नहीं है। अध्ययन ने दिखाया कि बैक्टीरिया की एक ही प्रजाति के भीतर भी, अलग-अलग स्ट्रेन की उत्तरजीविता क्षमताएं बहुत भिन्न हो सकती हैं। एक मानक परीक्षण जो केवल प्रजातियों की पहचान करता है, वह एक विशेष रूप से कठिन स्ट्रेन को मिस कर सकता है जिसके पास बर्फीले चंद्रमा की यात्रा को सहने के लिए जेनेटिक टूल्स हैं। शोधकर्ता तर्क देते हैं कि हमें सूक्ष्मजीवों की सरल गिनती और नामकरण से आगे बढ़कर उनकी कार्यात्मक क्षमताओं—वे वास्तव में क्या कर सकते हैं—पर ध्यान केंद्रित करने की आवश्यकता है। उनका नया दृष्टिकोण, जो गहरे जेनेटिक सीक्वेंसिंग को कंप्यूटर भविष्यवाणियों के साथ जोड़ता है, इन छिपी हुई क्षमताओं को देखने का एक तरीका प्रदान करता है।

टीम इस बात पर जोर देती है कि उनके कंप्यूटर अनुमान अंतिम निर्णय नहीं बल्कि एक शक्तिशाली मार्गदर्शक हैं। उनके द्वारा बनाए गए मॉडल जोखिमों को पकड़ने में अच्छे हैं, लेकिन वे पूर्ण नहीं हैं। कुछ लक्षण, जैसे कि अत्यधिक सूखने को सहने की क्षमता, बीजाणु बनाने की क्षमता जैसे अन्य लक्षणों की तुलना में सटीक रूप से भविष्यवाणी करना कठिन था। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि इन कंप्यूटर भविष्यवाणियों का उपयोग उन सूक्ष्मजीवों को प्राथमिकता देने के लिए किया जाना चाहिए जिनका लैब में परीक्षण करने की आवश्यकता है। प्रत्येक एकल सूक्ष्मजीव का परीक्षण करने के बजाय, वैज्ञानिक अब अपना ध्यान उन विशिष्ट स्ट्रेन पर केंद्रित कर सकते हैं जिन्हें कंप्यूटर उच्च संभावना वाले उत्तरजीविता वाले स्ट्रेन के रूप में चिह्नित करता है। यह लक्षित दृष्टिकोण 'प्लैनेटरी प्रोटेक्शन' (ग्रह सुरक्षा) को अधिक प्रभावी बना सकता है और यह सुनिश्चित कर सकता है कि हम अनजाने में किसी विदेशी दुनिया में पृथ्वी का जीवन न ले जाएं जहाँ वह अनजाने में फैल सकता है।

यह अध्ययन यूरोपा जैसे बर्फीले संसारों की सुरक्षा से जुड़ी विशिष्ट चुनौतियों पर भी प्रकाश डालता है। मंगल के विपरीत, जो शुष्क और ठंडा है, इन चंद्रमाओं में उप-सतही महासागर हैं जो तरल और जीवन के लिए आवश्यक रासायनिक तत्वों से समृद्ध हैं। यदि पृथ्वी का कोई सूक्ष्मजीव अंतरिक्ष की लंबी, ठंडी यात्रा को झेल सकता है और फिर उस महासागर में जाने का रास्ता खोज लेता है, तो वह संभावित रूप से फल-फूल सकता है और फैल सकता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि JUICE लॉन्च साइट पर मौजूद सूक्ष्मजीवों में ठंड और नमक के प्रति सहनशील स्ट्रेन शामिल थे, जो बृहस्पति के चंद्रमाओं के वातावरण के लिए सीधे प्रासंगिक लक्षण हैं। यह बताता है कि संदूषण की जांच करने की वर्तमान विधियां इन विशिष्ट प्रकार के मिशनों के लिए जोखिम का कम आकलन कर सकती हैं।

आणविक जीव विज्ञान और उन्नत कंप्यूटिंग के बीच के अंतर को पाटकर, यह कार्य अंतरिक्ष अन्वेषण के सूक्ष्मजीव संबंधी जोखिमों को समझने के लिए एक नया ढांचा प्रदान करता है। यह दिखाता है कि हमारे क्लीनरूम में रहने वाले सूक्ष्मजीव हमारी कल्पना से कहीं अधिक विविध और अनुकूलन योग्य हैं। शोधकर्ताओं को कोई एक "सुपर-बैक्टीरिया" नहीं मिला जो निश्चित रूप से जीवित रहेगा, लेकिन उन्हें सूक्ष्मजीवों का एक ऐसा समुदाय मिला जहाँ कई सदस्य उत्तरजीविता के जेनेटिक टूलकिट को धारण करते हैं। इस खोज का अर्थ है कि अंतरिक्ष एजेंसियों को केवल बीजाणुओं की उपस्थिति के बजाय इन कार्यात्मक लक्षणों को देखने के लिए अपने सुरक्षा प्रोटोकॉल को अपडेट करने की आवश्यकता है। लक्ष्य यह सुनिश्चित करना है कि जब हम सौर मंडल के बाहरी हिस्से के बर्फीले चंद्रमाओं पर अपने प्रोब भेजते हैं, तो हमें इस बात का विश्वास हो कि हम अपने साथ अपने सूक्ष्मदर्शी यात्रियों को नहीं ले जा रहे हैं।