Chemical mutation of Stichococcus sp. for the selection of strains with lower chlorophyll content and higher biomass production

सूर्य का प्रकाश महासागर में जीवन को चलाने वाला इंजन है, लेकिन सूक्ष्म शैवाल (माइक्रोएल्गी) नामक इन नन्हे, एककोशिकीय पौधों के लिए, किसी भी अच्छी चीज़ की अधिकता समस्या बन सकती है। ये सूक्ष्म जीव प्रकाश ऊर्जा को पकड़ने और उसे भोजन एवं विकास में बदलने के लिए क्लोरोफिल नामक एक हरे रंग के वर्णक (पिगमेंट) पर निर्भर करते हैं। हालाँकि, जब ये कोशिकाएं एक बड़े टैंक में एक साथ घनी हो जाती हैं, तो उनके हरे वर्णक की उच्च सांद्रता एक बाधा उत्पन्न करती है। बाहरी तरफ की कोशिकाएं लगभग सारा प्रकाश सोख लेती हैं, जिससे एक गहरा साया बन जाता है जो बीच की कोशिकाओं को भूखा रखता है। यह घटना, जिसे अक्सर "शैडो इफेक्ट" (छाया प्रभाव) कहा जाता है, इस पूरी संस्कृति (कल्चर) द्वारा उत्पादित होने वाले बायोमास की मात्रा को सीमित कर देती है, जिससे इन जीवों को ईंधन या अन्य उत्पादों के लिए बड़े पैमाने पर कुशलता से उगाना कठिन हो जाता है।

वैज्ञानिक लंबे समय से इस सीमा को पार करने के लिए ऐसे सूक्ष्म शैवाल के स्ट्रेन खोजने या बनाने की कोशिश कर रहे हैं जिन्हें जीवित रहने के लिए क्लोरोफिल की उतनी आवश्यकता न हो। यदि कोई स्ट्रेन कम हरे वर्णक के साथ बढ़ सके, तो यह प्रकाश को संस्कृति में अधिक गहराई तक जाने देगा, जिससे अधिक कोशिकाएं एक साथ बढ़ सकेंगी और कुल कटाई बढ़ जाएगी। ग्रीस में टेक्निकल यूनिवर्सिटी ऑफ क्रीट के शोधकर्ताओं की एक टीम ने स्टिचोकोकस (Stichococcus) नामक एक विशिष्ट प्रकार के छड़ के आकार के सूक्ष्म शैवाल पर काम करके इस चुनौती का समाधान निकाला। उनका लक्ष्य इस जीव का एक ऐसा संस्करण बनाना था जो स्वाभाविक रूप से कम क्लोरोफिल पैदा करता है लेकिन अपने जंगली समकक्षों की तुलना में तेजी से बढ़ता है और अधिक मूल्यवान रसायन, जैसे कि तेल और शर्करा, का उत्पादन करता है।

इसे प्राप्त करने के लिए, शोधकर्ताओं ने रासायनिक उत्परिवर्तन (केमिकल म्यूटोजेनेसिस) नामक तकनीक का उपयोग किया। उन्होंने जंगली स्टिचोकोकस की संस्कृति को एथिल मेथेन सल्फोनेट नामक एक रासायनिक पदार्थ के संपर्क में लाया, जो जीव के आनुवंशिक कोड के लिए एक 'रैंडमाइज़र' (यादृच्छिक करने वाले यंत्र) के रूप में कार्य करता है। यह प्रक्रिया कोशिकाओं के डीएनए में छोटे, अप्रत्याशित बदलाव लाती है। लक्ष्य कोई विशिष्ट परिवर्तन डिजाइन करना नहीं था, बल्कि विविध प्रकार के यादृच्छिक उत्परिवर्तन उत्पन्न करना और फिर उन जीवित बचे लोगों में से उन्हें खोजना जिनका क्लोरोफिल कम था। टीम ने रसायन की सांद्रता को सावधानीपूर्वक समायोजित किया ताकि केवल लगभग पांच प्रतिशत कोशिकाएं ही उपचार से जीवित बच सकें, जो कि तनाव का एक ऐसा स्तर है जो पूरी आबादी को खत्म किए बिना नए गुणों के उभरने को प्रोत्साहित करता है।

रासायनिक उपचार के बाद, शोधकर्ताओं ने जीवित बची कोशिकाओं को ठोस अगार (agar) डिशेज पर रखा और उन्हें दृश्य कॉलोनियों में विकसित होने का इंतजार किया। उन्होंने उन कॉलोनियों की तलाश की जो मूल गहरे हरे रंग के जंगली स्ट्रेन की तुलना में हल्के रंग की दिखाई देती थीं। इनमें से, उन्होंने दो विशिष्ट स्ट्रेन चुने, जिन्हें उन्होंने EMS1 और EMS2 नाम दिया, क्योंकि वे सबसे हल्के रंग के दिखाई दे रहे थे। यह पुष्टि करने के लिए कि ये हल्का रंग एक स्थायी आनुवंशिक परिवर्तन था न कि केवल एक अस्थायी प्रतिक्रिया, टीम ने इन स्ट्रेन को तरल समुद्री जल में तीन पीढ़ियों तक उगाया। इसके बाद उन्होंने समान परिस्थितियों में मूल जंगली प्रकार (वाइल्ड टाइप) के विरुद्ध इन नए म्यूटेंट का प्रदर्शन मापा, जिसमें उनके द्वारा उत्पादित बायोमास, क्लोरोफिल की मात्रा और उनके द्वारा संग्रहित तेल एवं कार्बोहाइड्रेट का मापन किया गया।

परिणामों ने एक स्पष्ट लाभ दिखाया। सबसे अच्छा प्रदर्शन करने वाला स्ट्रेन, EMS1, जंगली प्रकार की तुलना में काफी तेजी से बढ़ा और अधिक कुल बायोमास का उत्पादन किया। दो सप्ताह के प्रयोग के अंत तक, EMS1 संस्कृति का घनत्व 2.47 ग्राम प्रति लीटर तक पहुँच गया, जबकि जंगली प्रकार केवल 2.20 ग्राम प्रति लीटर तक पहुँचा। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि EMS1 स्ट्रेन में क्लोरोफिल की मात्रा काफी कम थी। जहाँ जंगली प्रकार में प्रति ग्राम शुष्क बायोमास लगभग 11 मिलीग्राम क्लोरोफिल था, वहीं EMS1 म्यूटेंट में केवल 6.29 मिलीग्राम था। वर्णक में इस कमी ने पुष्टि की कि उत्परिवर्तन ने सफलतापूर्वक प्रकाश को ग्रहण करने की जीव की क्षमता को बदल दिया, जिससे घनी संस्कृतियों में, जहाँ प्रकाश का प्रवेश सीमित होता है, अधिक कुशलता से बढ़ना संभव हो सकता है।

केवल तेजी से बढ़ने और कम हरा वर्णक होने के अलावा, म्यूटेंट स्ट्रेन ने मूल्यवान औद्योगिक सामग्री के उत्पादन में भी आशाजनक संकेत दिए। शोधकर्ताओं ने पाया कि EMS1 स्ट्रेन में लिपिड (वसा), जिन्हें बायोफ्यूल में बदला जा सकता है, और कार्बोहाइड्रेट (जिसका उपयोग अन्य रासायनिक उत्पादों के लिए किया जा सकता है) का भंडारण अधिक था। EMS1 स्ट्रेन में लिपिड की मात्रा उसके शुष्क वजन का 21 प्रतिशत तक बढ़ गई, जबकि जंगली प्रकार में यह 15 प्रतिशत थी। इसी तरह, कार्बोहाइड्रेट की मात्रा शुष्क वजन का 44 प्रतिशत तक बढ़ गई, जो मूल स्ट्रेन के 28 प्रतिशत से अधिक थी। कोशिकाओं में प्रोटीन की मात्रा सभी समूहों में लगभग समान रही, जो यह दर्शाता है कि उत्परिवर्तन ने कोशिका के बुनियादी संरचनात्मक घटकों से समझौता किए बिना विशेष रूप से ऊर्जा-संग्रहण यौगिकों के उत्पादन को बढ़ावा दिया।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि यह रासायनिक उत्परिवर्तन प्रक्रिया बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए सूक्ष्म शैवाल स्ट्रेन को बेहतर बनाने का एक व्यवहार्य तरीका है। EMS1 स्ट्रेन, जिसमें कम क्लोरोफिल सामग्री और बायोमास तथा मूल्यवान रसायनों की उच्च उपज है, एक महत्वपूर्ण प्रगति का प्रतिनिधित्व करता है। शोधकर्ता भविष्य के प्रयोगों में इस विशिष्ट स्ट्रेन का उपयोग 'बायोफिल्म फोटोबायोरिएक्टर' में करने की योजना बना रहे हैं, जो ऐसी प्रणालियाँ हैं जहाँ शैवाल ठोस सतहों पर उगते हैं न कि स्वतंत्र रूप से तैरते हैं। इस तरह के स्ट्रेन का उपयोग करके, जो प्रकाश को संस्कृति में गहराई तक जाने देता है, वे औद्योगिक धुएं से कार्बन डाइऑक्साइड को पकड़ने और उसे उच्च-मूल्य वाले उत्पादों में अधिक कुशलता से बदलने की आशा करते हैं, जिससे कम खेती लागत के साथ एक अपशिष्ट गैस को संसाधन में बदला जा सके।