Isolation and engineering of antimicrobial peptides targeting pathogenic Escherichia coli and Salmonella of poultry
यह अध्ययन रोगजनक *एस्चेरिचिया कोली* और *साल्मोनेला* को पोल्ट्री में प्रभावी ढंग से लक्षित करने वाले रोगाणुरोधी पेप्टाइड्स को अलग करने और इंजीनियर करने के लिए फेज डिस्प्ले और नेक्स्ट-जेनरेशन सीक्वेंसिंग का उपयोग करता है, जो यह प्रदर्शित करता है कि चयनित पेप्टाइड्स को कैथेलिडिसिन-बीएफ के साथ संयोजित करने और मिश्रित संस्कृतियों में उनका मूल्यांकन करने से इन प्रतिरोधी बैक्टीरिया के विरुद्ध क्षमता और विशिष्टता बढ़ सकती है।
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खेती की दुनिया में, दुनिया का पेट भरने के लिए मुर्गियों को भारी संख्या में पाला जाता है, लेकिन वे जीवाणु संक्रमण (बैक्टीरियल इन्फेक्शन) के प्रति भी संवेदनशील होती हैं जो झुंड में तेजी से फैल सकता है। दो सबसे कष्टदायक दोषियों में एस्चेरिचिया कोलाई (Escherichia coli) और साल्मोनेला (Salmonella) शामिल हैं, जो पक्षियों को बीमार कर सकते हैं और कुछ मामलों में मनुष्यों तक भी पहुँच सकते हैं। दशकों से, किसान इन संक्रमणों को रोकने के लिए एंटीबायोटिक्स पर निर्भर रहे हैं, लेकिन बैक्टीरिया इनसे लड़ने के लिए विकसित हो रहे हैं। वे ऐसी रक्षा प्रणालियाँ विकसित कर रहे हैं जो मानक दवाओं को बेकार बना देती हैं, यह एक ऐसी समस्या है जिसे एंटीमाइक्रोबियल रेजिस्टेंस (रोगाणुरोधी प्रतिरोध) कहा जाता है। यह प्रतिरोध एक बढ़ता हुआ संकट है, जो हमें सामान्य संक्रमणों के लिए प्रभावी उपचारों के बिना छोड़ देने की धमकी दे रहा है। वैज्ञानिक अब इन बैक्टीरिया को मारने के नए तरीकों की तलाश कर रहे हैं जो पारंपरिक एंटीबायोटिक्स पर निर्भर नहीं हैं। एक आशाजनक मार्ग छोटे प्रोटीन खंडों के रूप में है जिन्हें एंटीमाइक्रोबियल पेप्टाइड्स कहा जाता है। ये प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले अणु हैं जो पौधों से लेकर जानवरों तक कई जीवित चीजों में मौजूद होते हैं, और बैक्टीरिया की कोशिका दीवारों में छेद करके रक्षा की पहली पंक्ति के रूप में कार्य करते हैं। हालांकि प्रकृति कई उदाहरण प्रदान करती है, वे अक्सर अस्थिर होते हैं या बड़ी मात्रा में उत्पादन करना कठिन होता है, इसलिए शोधकर्ता शून्य से बेहतर, अधिक प्रभावी संस्करण डिजाइन करने के तरीके खोज रहे हैं।
यूनिवर्सिटी ऑफ नॉटिंगहैम और ADAS के शोधकर्ताओं की एक टीम ने विशेष रूप से पोल्ट्री को परेशान करने वाले बैक्टीरिया को लक्षित करने के लिए नए एंटीमाइक्रोबियल पेप्टाइड्स खोजने का लक्ष्य रखा। यह अनुमान लगाने के बजाय कि कौन सी रासायनिक संरचनाएं काम कर सकती हैं, उन्होंने 'फेज डिस्प्ले' (phage display) नामक एक विधि का उपयोग किया, जो एक विशाल, स्वचालित मछली पकड़ने के अभियान (fishing expedition) की तरह काम करता है। उन्होंने एक लाइब्रेरी बनाई जिसमें अरबों छोटे वायरस थे, जिनमें से प्रत्येक की सतह पर सोलह अमीनो एसिड (प्रोटीन के निर्माण खंड) की एक अनूठी, यादृच्छिक स्ट्रिंग थी। फिर उन्होंने इस लाइब्रेरी को लक्षित बैक्टीरिया, ई. कोलाई और साल्मोनेला के संपर्क में लाया, जिससे वायरस बैक्टीरिया की सतहों से चिपक गए। उन वायरसों को धोकर हटाकर जो बंधे नहीं थे और केवल उन्हें रखकर जो चिपक गए थे, वे पहचान सकते थे कि अमीनो एसिड की कौन सी विशिष्ट स्ट्रिंग्स बैक्टीरिया को पकड़ने में अच्छी थीं। इस प्रक्रिया को और अधिक सटीक बनाने के लिए, उन्होंने जीवित बचे हुए वायरसों के जेनेटिक कोड को पढ़ने के लिए एक शक्तिशाली अनुक्रमण (sequencing) तकनीक का उपयोग किया, जिससे उन सटीक अनुक्रमों (sequences) का पता चल सका जो जुड़ने में सबसे सफल रहे।
इन विशाल उम्मीदवारों के पूल में से, शोधकर्ताओं ने उन सत्तावन (57) पेप्टाइड्स पर ध्यान केंद्रित किया जिन्होंने लक्षित बैक्टीरिया से चिपकने के लिए एक मजबूत प्राथमिकता दिखाई। उन्होंने फिर इन सत्तावन उम्मीदवारों का परीक्षण यह देखने के लिए किया कि क्या वे वास्तव में बैक्टीरिया को मार सकते हैं, न कि केवल उनसे चिपक सकते हैं। परिणाम चयनात्मक लेकिन महत्वपूर्ण थे: पांच पेप्टाइड्स ने कम सांद्रता (concentrations) पर बैक्टीरिया को रोकने या मारने की क्षमता प्रदर्शित की। एक पेप्टाइड, जिसका नाम GWG था, इसलिए विशिष्ट था क्योंकि वह परीक्षण किए गए सभी ग्राम-नेगेटिव बैक्टीरिया के खिलाफ प्रभावी था, जबकि अन्य केवल विशिष्ट स्थितियों में सक्रिय थे। शोधकर्ताओं ने इन नए निष्कर्षों की तुलना एक ज्ञात, अच्छी तरह से अध्ययन किए गए पेप्टाइड, कैथेलिडिन-बीएफ (Cathelicidin-BF) से भी की, जो स्वाभाविक रूप से पक्षियों में पाया जाता है और व्यापक जीवाणुरोधी गुण रखता है। उन्होंने पाया कि जबकि उनके नए पेप्टाइड्स प्रभावी थे, प्राकृतिक कैथेलिडिन-बीएफ और भी अधिक शक्तिशाली था, जो बहुत कम सांद्रता पर बैक्टीरिया को मार देता था।
अध्ययन ने एक दिलचस्प मोड़ लिया जब शोधकर्ताओं ने देखा कि ये पेप्टाइड्स मिश्रित वातावरण में कैसे व्यवहार करते हैं। वास्तविक दुनिया में, बैक्टीरिया शायद ही कभी अकेले अस्तित्व में होते हैं; वे अन्य प्रजातियों के साथ समुदायों में रहते हैं। जब शोधकर्ताओं ने ई. कोलाई और साल्मोनेला दोनों वाली संस्कृतियों में इन पेप्टाइड्स का परीक्षण किया, तो पेप्टाइड्स का व्यवहार बदल गया। प्राकृतिक कैथेलिडिन-बीएफ पेप्टाइड, जो अकेले परीक्षण किए जाने पर दोनों प्रकार के बैक्टीरिया को समान रूप से मार देता था, मिश्रित संस्कृति में अचानक बहुत अधिक चयनात्मक हो गया, जो साल्मोनेला को लगभग अछूता छोड़ते हुए ई. कोलाई को मारने को प्राथमिकता देता था। यह बदलाव बताता है कि एक बैक्टीरिया प्रजाति की उपस्थिति दूसरी प्रजाति की उपचार के प्रति प्रतिक्रिया को बदल सकती है, एक ऐसा कारक जिसे अक्सर छूट जाता है जब वैज्ञानिक केवल एक-एक करके बैक्टीरिया का परीक्षण करते हैं।
इन पेप्टाइड्स को और भी प्रभावी बनाने के लिए, टीम ने 'डाइमेराइजेशन' (dimerization) नामक एक रणनीति का प्रयास किया, जिसमें दो पेप्टाइड अणुओं को जोड़कर एक जोड़ा बनाना शामिल है। उन्होंने नए पेप्टाइड्स के जोड़े बनाए, साथ ही ऐसे जोड़े बनाए जिनमें एक नया पेप्टाइड और प्राकृतिक कैथेलिडिन-बीएफ का संयोजन था। परिणामों ने दिखाया कि अणुओं को जोड़ने से उनके गुणों में आश्चर्यजनक बदलाव आता है। कुछ मामलों में, उन्हें आपस में जोड़ने से बैक्टीरिया के विकास को रोकने में उनकी प्रभावशीलता कम हो गई, लेकिन अन्य मामलों में, इसने बैक्टीरिया को मारने में उन्हें बहुत बेहतर बना दिया। उदाहरण के लिए, नए पेप्टाइड GWG को कैथेलिडिन-बीएफ के साथ जोड़कर बनाया गया एक जोड़ा, मिश्रित संस्कृतियों में ई. कोलाई को चुनिчески मारने की क्षमता बनाए रखता था, जो कि एकल अणुओं में उतनी स्पष्ट नहीं थी। यह सुझाव देता है कि केवल दो अलग-अलग पेप्टाइड्स को जोड़कर, वैज्ञानिक उनके व्यवहार को सूक्ष्म रूप से नियंत्रित (fine-tune) कर सकते हैं, जिससे संभावित रूप से ऐसे उपकरण बनाए जा सकते हैं जो अपने किसी भी हिस्से की तुलना में अधिक सटीक या शक्तिशाली हों।
शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि क्या ये नए पेप्टाइड्स लाल रक्त कोशिकाओं को नुकसान पहुँचाते हैं, जो जीवाणुरोधी उपचारों के साथ एक सामान्य चिंता है। अधिकांश नए पेप्टाइड्स ने उच्च सांद्रता पर भी रक्त कोशिकाओं को बहुत कम नुकसान दिखाया। हालांकि, एक नए पेप्टाइड, GWG ने, रक्त कोशिकाओं को नुकसान पहुँचाने की कुछ क्षमता दिखाई, हालांकि उसे एक जोड़े में जोड़ने से इस हानिकारक प्रभाव में कमी आई। यह खोज दवा विकास में एक महत्वपूर्ण संतुलन को उजागर करती है: होस्ट (मेजबान) को नुकसान पहुँचाए बिना बैक्टीरिया को मारने की आवश्यकता। अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि फेज डिस्प्ले की मछली पकड़ने वाली विधि को कंप्यूटर टूल के साथ मिलाने से, जो यह भविष्यवाणी कर सके कि कौन से अनुक्रम काम कर सकते हैं, नए उपचारों की खोज में तेजी आ सकती है। मिश्रित बैक्टीरियल कल्चर में पेप्टाइड्स का परीक्षण करके और उन्हें आपस में जोड़कर प्रयोग करके, टीम ने प्रतिरोधी बैक्टीरिया के खिलाफ नए हथियार बनाने के लिए एक लचीला दृष्टिकोण प्रदर्शित किया, जो पोल्ट्री की सुरक्षा और, विस्तार से, मानव स्वास्थ्य की सुरक्षा के लिए एक संभावित मार्ग प्रदान करता है।
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