Downregulation of the Nb-SABP2 gene promotes transient recombinant protein accumulation in N. benthamiana

आधुनिक जैव प्रौद्योगिकी की दुनिया में, वैज्ञानिक अक्सर दवाओं, टीकों और औद्योगिक एंजाइमों का उत्पादन करने के लिए प्रकृति के सबसे कुशल कारखानों की ओर देखते हैं। दशकों तक, मानक दृष्टिकोण में बैक्टीरिया या स्तनधारी कोशिकाओं को बड़े टैंकों में उगाना शामिल था, एक ऐसी प्रक्रिया जो धीमी, महंगी और तेजी से स्केल करना कठिन हो सकती है। पौधे एक सम्मोहक विकल्प प्रदान करते हैं। वे तेजी से बढ़ते हैं, उन्हें केवल सूर्य के प्रकाश और पानी की आवश्यकता होती है, और उन्हें उन जटिल प्रोटीनों को बनाने के लिए इंजीनियर किया जा सकता है जिन्हें बनाने में अन्य प्रणालियों को संघर्ष करना पड़ता है। सभी पौधों की प्रजातियों में से, निकोटियाना बेंथामियाना (Nicotiana benthamiana) नामक तंबाकू का एक विशिष्ट प्रकार इस प्रकार की "आणविक खेती" (molecular farming) के लिए पसंदीदा वर्कहॉर्स बन गया है। इसकी लोकप्रियता एक अद्वितीय जैविक गुण से आती है: यह बाहरी आनुवंशिक सामग्री को स्वीकार करने और उसे बहुत तेज़ी से प्रोटीन में बदलने में असाधारण रूपamente कुशल है। हालाँकि, इस गति के साथ एक पेंच भी आता है। जब वैज्ञानिक पौधों में बाहरी जीन डालते हैं, तो पौधे की अपनी प्रतिरक्षा प्रणाली अक्सर घुसपैठिए को एक खतरे के रूप में पहचान लेती है और एक रक्षा अभियान शुरू कर देती है। यह रक्षा प्रतिक्रिया, जो पौधे के लिए स्वाभाविक है, उत्पादन पर एक ब्रेक की तरह काम करती है, जिससे उपयोगी प्रोटीन की मात्रा सीमित हो जाती है जिसे निकाला जा सकता है।

शोधकर्ताओं के लिए मुख्य चुनौती यह है कि पौधे को स्वस्थ और बढ़ता हुआ कैसे रखा जाए और साथ ही उसके प्रतिरक्षा तंत्र को बस इतना समझाने का प्रयास कैसे किया जाए कि वह अधिकतम प्रोटीन उत्पादन की अनुमति देने के लिए थोड़ा शांत हो जाए। पौधे के रक्षा शस्त्रागार में एक प्रमुख खिलाड़ी सैलिसिलिक एसिड नामक हार्मोन है। प्रकृति में, यह हार्मोन एक सिग्नल फ्लेयर (संकेत मशाल) के रूप में कार्य करता है, जो पौधे को संक्रमण के प्रति सचेत करता है और सुरक्षात्मक उपायों की एक श्रृंखला को सक्रिय करता है। पौधे के भीतर एक विशिष्ट प्रोटीन, जिसे SABP2 कहा जाता है, एक स्विच के रूप में कार्य करता है जो इस अलार्म सिस्टम को सक्रिय करने में मदद करता है। जब कोई पौधा खतरे का पता लगाता है, तो SABP2 एक शांत रासायनिक संकेत को सैलिसिलिक एसिड के सक्रिय रूप में बदलने में मदद करता है, जो फिर पौधे की रक्षा प्रणाली को एकजुट करता है। शोधकर्ताओं ने जो प्रश्न पूछा था वह यह था कि क्या इस विशिष्ट स्विच की आवाज़ को कम करने से वे वांछित प्रोटीन का अधिक उत्पादन कर पाएंगे, बिना सुरक्षा की कमी के पौधे को नुकसान पहुँचाए।

हाल ही में किए गए एक अध्ययन में, जर्मनी के जूलियस कुहन संस्थान के शोधकर्ताओं ने इस विचार का परीक्षण करने के लिए एक ऐसा संस्करण बनाने का लक्ष्य रखा जहाँ SABP2 प्रोटीन बनाने के लिए जिम्मेदार जीन को जानबूझकर कमजोर किया गया था। उन्होंने जीन को पूरी तरह से हटाया नहीं, क्योंकि इससे पौधा बीमारी के प्रति बहुत संवेदनशील हो सकता था या उसका विकास खराब हो सकता था। इसके बजाय, उन्होंने एक ऐसी तकनीक का उपयोग किया जिससे पौधे द्वारा उत्पादित SABP2 की मात्रा कम हो गई, जो अनिवार्य रूप से पौधे की अलार्म बजाने की क्षमता को धीमा करने जैसा था। इसके बाद, उन्होंने संशोधित पौधों में वायरल वेक्टर्स (viral vectors)—इंजीनियर किए गए हानिरहित वायरस जो विशिष्ट प्रोटीन बनाने के निर्देश ले जाने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं—प्रविष्ट किए। लक्ष्य यह देखना था कि क्या संशोधित पौधों में सामान्य, बिना संशोधित पौधों की तुलना में लक्षित प्रोटीन का उत्पादन अधिक होता है।

परिणाम स्पष्ट और मापने योग्य थे। कम SABP2 स्तर वाले पौधे सामान्य पौधों की तरह ही बढ़े, जिसमें अवरुद्ध विकास या शारीरिक विकृति के कोई लक्षण नहीं दिखे। वे स्वस्थ और मजबूत दिख रहे थे। हालाँकि, जब वैज्ञानिकों ने एक चमकते हरे प्रोटीन को बनाने के निर्देशों वाले वायरल वेक्टर्स को पेश किया, तो संशोधित पौधों ने इसका काफी अधिक उत्पादन किया। सबसे अच्छा प्रदर्शन करने वाली संशोधित लाइनों में, चमकते प्रोटीन की मात्रा मानक पौधों की तुलना में दो से तीन गुना अधिक थी। यह प्रभाव केवल एक प्रकार के प्रोटीन या एक प्रकार के वायरल वेक्टर तक ही सीमित नहीं था; शोधकर्ताओं ने विभिन्न संयोजनों का परीक्षण किया, जिसमें तंत्रिका कोशिकाओं को बढ़ने में मदद करने वाला एक प्रोटीन भी शामिल था, और उन्होंने उत्पादन में समान वृद्धि पाई।

इस सफलता के पीछे का तंत्र पौधे की प्राथमिकताओं में एक 'ट्रेड-ऑफ' (समझौता) प्रतीत होता है। SABP2 जीन को कम करके, शोधकर्ताओं ने प्रभावी रूप से वायरल वेक्टर के प्रति पौधे की प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया को धीमा कर दिया। क्योंकि पौधा वितरण वाहन (delivery vehicle) के खिलाफ उतनी कड़ी लड़ाई नहीं लड़ रहा था, इसलिए वायरस पौधे की कोशिकाओं के भीतर अधिक स्वतंत्र रूप से गुणा करने में सक्षम रहा। इस बढ़ी हुई वायरल गतिविधि ने सीधे वांछित प्रोटीन के उच्च स्तर में वृद्धि की। अध्ययन ने पुष्टि की कि संशोधित पौधों में वायरल आनुवंशिक सामग्री स्वयं बहुत अधिक मात्रा में मौजूद थी, जिसने लक्षित प्रोटीनों के उत्पादन को प्रेरित किया। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह दृष्टिकोण विभिन्न समय बिंदुओं और विभिन्न प्रकार के वायरल वेक्टर्स में लगातार काम करता है, जो बताता है कि यह विधि मजबूत और विश्वसनीय है।

यह कार्य पौधे आधारित प्रोटीन उत्पादन में एक लंबे समय से चली आ रही बाधा के लिए एक व्यावहारिक समाधान प्रदान करता है। यह प्रदर्शित करता है कि पौधे की समग्र स्वास्थ्य या विकास को नुकसान पहुँचाए बिना, उसके प्रतिरक्षा तंत्र को उत्पादन के उपकरणों के प्रति कम प्रतिक्रियाशील बनाने के लिए सूक्ष्म रूप से ट्यून करना संभव है। निष्कर्ष बताते हैं कि पौधे के आंतरिक रक्षा संकेतों का सावधानीपूर्वक प्रबंधन करके, वैज्ञानिक बायोफार्मास्युटिकल्स के निर्माण के लिए एक अधिक कुशल वातावरण बना सकते हैं। अध्ययन ने यह दावा नहीं किया कि यह विधि हर संभावित प्रोटीन या वायरस के लिए काम करती है, न ही इसने यह सुझाव दिया कि ये संशोधित पौधे सभी बीमारियों के प्रति प्रतिरोधी हैं। बल्कि, इसने दिखाया कि परीक्षण किए गए विशिष्ट सिस्टम के लिए, एक एकल रक्षा मार्ग को कम करने से उपज में पर्याप्त और पुनरुत्पादक वृद्धि हुई। यह दृष्टिकोण उन शोधकर्ताओं के लिए एक नया उपकरण प्रदान करता है जो दवाओं और अन्य मूल्यवान प्रोटीनों का तेजी से और बड़े पैमाने पर उत्पादन करने का लक्ष्य रखते हैं, जिससे पौधे की प्राकृतिक रक्षा प्रणाली को एक बाधा से बदलकर एक प्रबंधनीय चर (variable) में बदला जा सके।