Engineering phosphate-controlled poly(3-hydroxybutyrate) production in Vibrio natriegens from renewable feedstocks

प्लास्टिक प्रदूषण हमारे आधुनिक युग की एक परिभाषित चुनौती है, जिसमें अरबों टन सिंथेटिक सामग्रियां हमारे महासागरों और लैंडफिल में जमा हो रही हैं। हालांकि ये सामग्रियां टिकाऊ और उपयोगी हैं, लेकिन उनकी निरंतरता एक विशाल पर्यावरणीय बोझ पैदा करती है। वैज्ञानिकों ने लंबे समय से बायोडिग्रेडेबल प्लास्टिक में समाधान खोजा है, विशेष रूप से पॉली(3-हाइड्रॉक्सीब्यूटिरेट), या PHB नामक एक प्रकार के प्लास्टिक में। यह एक प्राकृतिक पॉलिस्टर है जिसे बैक्टीरिया ऊर्जा संग्रहीत करने के लिए उत्पन्न करते हैं, ठीक वैसे ही जैसे मनुष्य वसा संग्रहीत करते हैं। पेट्रोलियम-आधारित प्लास्टिक के विपरीत, PHB मिट्टी और समुद्री जल में पूरी तरह से टूट जाता है। हालांकि, इसे बड़े पैमाने पर बनाना कठिन और महंगा रहा है। इस प्रक्रिया के लिए आमतौर पर बैक्टीरिया को महंगे शर्करा खिलाने और उन्हें बढ़ने से बदलकर प्लास्टिक बनाने के लिए मजबूर करने हेतु रासायनिक ट्रिगर्स जोड़ने की आवश्यकता होती है। ये चरण लागत बढ़ाते हैं और निर्माण प्रक्रिया को जटिल बनाते हैं, जिससे PHB को पारंपरिक प्लास्टिक का स्थान लेने से रोका जाता है।

द यूनिवर्सिटी ऑफ वेस्टर्न ऑस्ट्रेलिया और द यूनिवर्सिटी ऑफ विएना के शोधकर्ताओं ने अब एक तेजी से बढ़ने वाले समुद्री बैक्टीरिया, Vibrio natriegens का उपयोग करके इन बाधाओं को दूर करने का एक तरीका खोज लिया है। यह सूक्ष्मजीव अद्वितीय है क्योंकि यह अविश्वसनीय रूप से तेजी से बढ़ सकता है और खारे पानी में पनप सकता है, जो इसे कीमती मीठे पानी के बजाय समुद्री जल का उपयोग करके किण्वन (fermentation) करने की अनुमति देता है। टीम ने पाया कि यह बैक्टीरिया स्वाभाविक रूप से PHB बनाना शुरू कर देता है जब इसके पास फॉस्फेट की कमी हो जाती है, जो मिट्टी और पानी में पाया जाने वाला एक सामान्य पोषक तत्व है। एक ऐसी प्रक्रिया डिजाइन करके जहाँ बैक्टीरिया सारा उपलब्ध फॉस्फेट उपभोग कर लेते हैं, शोधकर्ताओं ने एक स्व-चालित प्रणाली बनाई। बैक्टीरिया तब तक तेजी से बढ़ते हैं जब तक फॉस्फेट मौजूद रहता है, और जैसे ही यह समाप्त होता है, वे बिना किसी रासायनिक स्विच या मानवीय हस्तक्षेप के स्वचालित रूप से प्लास्टिक उत्पादन शुरू कर देते हैं। यह दृष्टिकोण बैक्टीरिया की अपनी भूख को विनिर्माण के लिए एक सटीक नियंत्रण तंत्र में बदल देता है।

इस खोज की यात्रा यह समझने की आवश्यकता से शुरू हुई कि बैक्टीरिया को PHB बनाने के लिए वास्तव में क्या प्रेरित करता है। जबकि अन्य बैक्टीरिया नाइट्रोजन या ऑक्सीजन की कमी होने पर इस प्लास्टिक का उत्पादन करने के लिए जाने जाते हैं, V. natriegens के नियम स्पष्ट नहीं थे। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिकों ने बैक्टीरिया के भीतर एक छोटा सा 'लाइट-अप सेंसर' बनाया। उन्होंने एक चमकने वाले जीन को उस विशिष्ट डीएनए खंड से जोड़ा जो PHB उत्पादन को नियंत्रित करता है। जब बैक्टीरिया ने किसी निश्चित पोषक तत्व की कमी महसूस की, तो वह जीन सक्रिय हो गया और बैक्टीरिया चमकने लगा। शोधकर्ताओं ने विभिन्न स्तरों के फॉस्फेट और नाइट्रोजन वाले वातावरण में बैक्टीरिया का परीक्षण किया। परिणाम स्पष्ट थे: बैक्टीरिया केवल तभी चमके जब फॉस्फेट की कमी थी। नाइट्रोजन के स्तर का कोई महत्व नहीं था। यह एक महत्वपूर्ण निष्कर्ष था क्योंकि इसने इस प्रजाति के लिए एक पहले से अज्ञात नियामक पैटर्न का खुलासा किया, जो दर्शाता है कि फॉस्फेट की कमी ही वह विशिष्ट संकेत है जो बैक्टीरिया को बढ़ने से रुकने और ऊर्जा को प्लास्टिक के रूप में संग्रहीत करने का निर्देश देता है।

इस ट्रिगर की पहचान के साथ, टीम ने प्लास्टिक बनाने की बैक्टीरिया की क्षमता में सुधार करने के काम को आगे बढ़ाया। उन्होंने इस स्ट्रेन को प्राकृतिक PHB बनाने वाले अतिरिक्त जीन की प्रतियां ले जाने के लिए इंजीनियर किया। उन्होंने इन अतिरिक्त जीन सेटों को बैक्टीरिया के डीएनए में विशिष्ट स्थानों पर डालकर ऐसा किया, जिससे अन्य उन जीनों को बदल दिया गया जो इस प्रक्रिया के लिए आवश्यक नहीं थे। इस रणनीति के दो उद्देश्य थे: इसने प्लास्टिक बनाने के निर्देशों की संख्या को बढ़ाया, और बैक्टीरिया के उन हिस्सों को हटा दिया जो फ्लैगेला या सुरक्षात्मक आवरण जैसी अनावश्यक चीजों को बनाने में ऊर्जा बर्बाद करते थे। परिणाम यह हुआ कि एक स्ट्रेन ने एसीटेट (एक सरल दो-कार्बन यौगिक, जिसे औद्योगिक अपशिष्ट गैसों या कार्बन डाइऑक्साइड से बनाया जा सकता है) खिलाने पर मूल, अनमॉडिफाइड बैक्टीरिया की तुलना में तीन गुना अधिक PHB का उत्पादन किया। ग्लूकोज जैसी खाद्य शर्करा से हटकर अपशिष्ट-व्युत्पन्न एसीटेट की ओर यह कदम इस प्रक्रिया को टिकाऊ और लागत प्रभावी बनाने के लिए महत्वपूर्ण है।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि इस प्रक्रिया को कुशलतापूर्वक बड़े पैमाने पर बढ़ाया जा सके, शोधकर्ताओं ने यह अनुमान लगाने के लिए एक गणितीय मॉडल विकसित किया कि शुरुआती मिश्रण में कितना फॉस्फेट होना चाहिए। वे जानते थे कि यदि फॉस्फेट बहुत अधिक होगा, तो बैक्टीरिया बढ़ता रहेगा और कभी भी प्लास्टिक बनाना शुरू नहीं करेगा। यदि यह बहुत कम होगा, तो बैक्टीरिया पर्याप्त द्रव्यमान बनाने से पहले ही मर जाएगा। मॉडल ने सटीक संतुलन की गणना की, जिसने उस प्रारंभिक फॉफाेट सांद्रता की भविष्यवाणी की जो कुल उत्पादित प्लास्टिक की मात्रा को अधिकतम करेगी। जब टीम ने लैब में इस भविष्यवाणी का परीक्षण किया, तो परिणाम मॉडल के करीब थे। उन्होंने 0.1 製品 कल्चर प्रति लीटर 0.123 ग्राम PHB की अंतिम सांद्रता प्राप्त की, जिसमें प्लास्टिक का कुल वजन का 60.5% हिस्सा था। कुछ स्थितियों में, बैक्टीरिया ने वजन के आधार पर 69.1% PHB तक की उच्च मात्रा प्राप्त की।

इस प्रणाली की बहुमुखी प्रतिभा का परीक्षण विभिन्न प्रकार के भोजन देकर किया गया। शोधकर्ताओं ने एसीटेट के अलावा ग्लिसरॉल, सक्सिनेट और ग्लूकोज एवं फ्रक्टोज जैसी विभिन्न शर्कराओं का परीक्षण किया। फॉस्फेट-भुखमरी का ट्रिगर सभी के लिए काम कर गया। हालांकि बैक्टीरिया ने फ्रक्टोज खिलाने पर सबसे अधिक प्लास्टिक का उत्पादन किया, लेकिन तथ्य यह है कि स्विच विविध प्रकार के खाद्य स्रोतों में काम कर गया, यह एक बड़ी उपलब्धि है। इसका अर्थ है कि निर्माता अपने क्षेत्र में उपलब्ध सबसे सस्ते या सबसे टिकाऊ कार्बन स्रोत को चुन सकते हैं बिना पूरी उत्पादन प्रक्रिया को फिर से डिजाइन किए। बैक्टीरिया बस उपलब्ध भोजन का उपभोग करते हैं, फॉस्फेट खत्म होने का इंतजार करते हैं, और फिर अतिरिक्त ऊर्जा को प्लास्टिक में बदल देते हैं।

सबसे आश्चर्यजनक अवलोकनों में से एक यह था कि इस प्रक्रिया के दौरान बैक्टीरिया शारीरिक रूप से कैसे बदल जाते हैं। जैसे ही वे फॉस्फेट की कमी महसूस करते हैं और PHB का भंडारण करना शुरू करते हैं, कोशिकाएं काफी सूज जाती हैं, जो शुरुआत में उनके आकार से लगभग छह गुना अधिक हो जाती हैं। यह सूजन उन बैक्टीरिया में भी देखी गई जो PHB नहीं बना सकते थे, जिससे पता चलता है कि फॉस्फेट की कमी कोशिका के आकार में एक सामान्य परिवर्तन का कारण बनती है जो प्लास्टिक बनाने की प्रक्रिया से अलग है। चूंकि कोशिकाएं बड़ी होती हैं, इसलिए उनके पास प्लास्टिक के कणों को रखने के लिए अधिक आंतरिक स्थान होता है, जो यह समझाने में मदद करता है कि अंतिम उत्पाद की मात्रा इतनी अधिक क्यों है। यह प्राकृतिक विस्तार, स्व-चालित स्विच के साथ मिलकर, अत्यधिक कुशल है क्योंकि इसमें कोशिका विभाजन को रोकने के लिए जटिल इंजीनियरिंग की आवश्यकता नहीं होती है।

अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि क्या बैक्टीरिया उस प्लास्टिक को तोड़ सकते हैं जो उन्होंने बनाया है यदि भोजन की कमी हो जाए, जो उत्पादन सेटिंग में अवांछनीय होगा। शोधकर्ताओं ने बैक्टीरिया के जीनोम में उन जीनों की तलाश की जो प्लास्टिक को पचाने वाले "क्लीनअप क्रू" के रूप में कार्य कर सकते हैं। उन्होंने संभावित उम्मीदवारों को खोजा और उन्हें हटा दिया, फिर भी कार्बन की कमी होने पर बैक्टीरिया ने प्लास्टिक को तोड़ दिया। इससे पता चलता है कि V. natriegens में PHB को नष्ट करने की एक ऐसी प्रक्रिया है जो वर्तमान वैज्ञानिक डेटाबेस द्वारा अभी तक पूरी तरह से समझी या पहचानी नहीं गई है। हालांकि इसका मतलब यह है कि यदि प्रक्रिया का सावधानीपूर्वक प्रबंधन नहीं किया गया तो बैक्टीरिया अपना कुछ उत्पाद खो सकते हैं, यह इस बात पर भी प्रकाश डालता है कि इस जीव के जीव विज्ञान के बारे में अभी भी बहुत कुछ सीखना बाकी है।

अंततः, यह शोध एक तेजी से बढ़ने वाले, नमक-सहिष्णु बैक्टीरिया का उपयोग करके बायोडिग्रेडेबल प्लास्टिक बनाने का एक नया तरीका प्रदर्शित करता है। फॉस्फेट की प्राकृतिक कमी पर भरोसा करके, यह प्रक्रिया महंगे रासायनिक प्रेरकों और जटिल फीडिंग शेड्यूल की आवश्यकता को समाप्त करती है। टीम ने दिखाया कि केवल पानी में फॉस्फेट की मात्रा को समायोजित करके, वे नियंत्रित कर सकते हैं कि बैक्टीरिया कब बढ़ने से बदलकर प्लास्टिक बनाने की ओर स्विच करते हैं। यह स्वायत्त प्रणाली, अपशिष्ट-व्युत्पन्न फीडस्टॉक जैसे एसीटेट का उपयोग करने की क्षमता के साथ मिलकर, जैव-प्लास्टिक को पर्यावरण के अनुकूल और आर्थिक रूप से व्यवहार्य बनाने की दिशा में एक आशाजनक मार्ग प्रदान करती है। यह कार्य एक स्पष्ट ब्लूप्रिंट प्रदान करता है कि कैसे सूक्ष्मजीवों की प्राकृतिक प्रवृत्तियों का उपयोग करके वैश्विक पर्यावरणीय समस्या को हल किया जा सकता है, जिससे एक साधारण पोषक तत्व की सीमा को टिकाऊ विनिर्माण के लिए एक शक्तिशाली उपकरण में बदला जा सके।