Full-length transcriptome and light-regulated analyses identify candidate genes involved in rhynchophylline and isorhynchophylline biosynthesis in Uncaria rhynchophylla

Uncaria वंश की उलझी हुई लताओं के भीतर, एक पौधा जिसे वनस्पतिशास्त्रियों द्वारा Uncaria rhynchophylla के रूप में जाना जाता है, एक उल्लेखनीय जटिल रासायनिक कारखाने के समान है। यह पौधा 'मोनोटेर्पीन इंडोल एल्कलॉइड्स' नामक यौगिकों के एक विशिष्ट समूह का उत्पादन करता है। एक अनभिज्ञ कान के लिए, यह नाम एक रासायनिक सूत्र जैसा लग सकता है, लेकिन प्रकृति में, यह केवल दो अलग-अलग हिस्सों से बने अणुओं के एक परिवार को संदर्भित करता है: एक साधारण शर्करा से प्राप्त कार्बन परमाणुओं की एक वलय (रिंग) और एक नाइट्रोजन युक्त संरचना जो कई पौधों में पाई जाती है। इनमें से, दो विशिष्ट सदस्य, रिनकोफिलाइन (rhynchophylline) और आइसोरिनकोफिलाइन (isorhynchophylline), सबसे प्रमुख हैं जो इस पौधे की मानव शरीर के साथ अंतःक्रिया करने की क्षमता के लिए जिम्मेदार हैं, जो विभिन्न रोगों में राहत प्रदान करते हैं। सदियों से, पारंपरिक चिकित्सा इस बेल पर निर्भर रही है, फिर भी इन अणुओं को बनाने के लिए पौधा जिन सटीक निर्देशों का उपयोग करता है, वे एक रहस्य बने हुए हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते थे कि पौधा इन रसायनों का निर्माण करता है, लेकिन उनके पास उस जेनेटिक मशीनरी और पर्यावरणीय ट्रिगर्स का स्पष्ट मानचित्र नहीं था जो उन जीन को चालू या बंद करते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने उस मानचित्र को तैयार करने के उद्देश्य से काम शुरू किया, जिसमें उन्होंने इस बात पर ध्यान केंद्रित किया कि पौधा इन मूल्यवान अणुओं का निर्माण कैसे करता है और कौन से संकेत इसे इस प्रक्रिया को शुरू करने के लिए कहते हैं। उन्होंने इस बात से शुरुआत की कि पौधा अपनी रासायनिक संपदा को कहाँ संग्रहीत करता है। रसायनों को उच्च सटीकता के साथ अलग करने और मापने की एक विधि का उपयोग करते हुए, उन्होंने बेल की जड़ों, तनों और पत्तियों का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि जड़ें प्राथमिक कार्यशाला थीं, जिनमें दोनों प्रमुख एल्कलॉइड्स की उच्चतम सांद्रता थी। इस खोज ने उन्हें जड़ों की ओर संकेत दिया, जो उत्पादन के लिए जिम्मेदार जेनेटिक ब्लूप्रिंट खोजने के लिए सबसे आशाजनक स्थान थे।

उन ब्लूप्रिंट्स को खोजने के लिए, वैज्ञानिकों ने पौधे की अपनी निर्देश पुस्तिका यानी उसके जेनेटिक कोड की ओर रुख किया। वे इस कोड को पढ़ने के लिए केवल एक पद्धति पर निर्भर नहीं रहे, बल्कि उन्होंने दो शक्तिशाली तकनीकों को मिलाया। एक तकनीक जेनेटिक स्निपेट्स को छोटे, तीव्र विस्फोटों में पढ़ती है, जबकि दूसरी पूरे जेनेटिक स्ट्रैंड को एक निरंतर टुकड़े में पढ़ती है। दोनों दृष्टिकोणों से प्राप्त डेटा को मिलाकर, उन्होंने पौधे के सक्रिय जीन या 'ट्रांसक्रिप्ट्स' की एक पूर्ण लाइब्रेरी तैयार की। इस विशाल संग्रह से, उन्होंने लगभग चौरानवे हजार विशिष्ट जेनेटिक संदेशों की पहचान की। इस लाइब्रेरी के भीतर, उन्होंने चार हजार से अधिक ऐसे संदेश देखे जो प्रोटीन के लिए कोड नहीं करते हैं बल्कि अन्य जीनों को नियंत्रित करते हैं, और लगभग चार हजार संदेश जो जीनों को चालू या बंद करने वाले मास्टर स्विच के रूप में कार्य करते हैं। इस व्यापक सूची ने उन्हें पौधे की जेनेटिक क्षमता का पूर्ण दृश्य प्रदान किया।

इस लाइब्रेरी के साथ, शोधकर्ताओं ने रिनकोफिलाइन और आइसोरिनकोफिलाइन बनाने में शामिल विशिष्ट श्रमिकों की तलाश की। उन्होंने एक सौ उन बीस (129) जीनों की पहचान की जो संभवतः उन एंजाइमों, या जैविक उपकरणों का उत्पादन करते हैं, जिनकी इन अणुओं को बनाने के शुरुआती चरणों के लिए आवश्यकता होती है। जब उन्होंने देखा कि ये जीन पौधे के विभिन्न हिस्सों में कितने सक्रिय थे, तो इस पैटर्न ने उनके पिछले रासायनिक निष्कर्षों की पुष्टि की: ये जीन जड़ों में सबसे अधिक सक्रिय थे। अध्ययन में संभावित ट्रांसपोर्टर्स (परिवाहक) का भी पता चला, जो विशेष ट्रकों की तरह होते हैं जो तैयार उत्पादों को भंडारण तक ले जाते हैं। उन्होंने इन ट्रांसपोर्टर्स के दो प्रकार पाए जो अन्य पौधों में समान एल्कलॉइड्स को ले जाने के लिए जाने जाने वाले ट्रांसपोर्टर्स से काफी मिलते-जुलते हैं, जिससे पता चलता है कि ये वे वाहन हैं जो नए अणुओं को कोशिका के भीतर उनके अंतिम विश्राम स्थल तक ले जाते हैं।

जांच फिर पर्यावरण की ओर मुड़ी, विशेष रूप से प्रकाश की भूमिका की ओर। पौधे अपने परिवेश के प्रति अत्यधिक संवेदनशील होते हैं, और शोधकर्ता जानना चाहते थे कि क्या धूप या छाया इन एल्कलॉइड्स के उत्पादन को प्रभावित करती है। विभिन्न प्रकाश स्थितियों में उगाए गए पौधों की जेनेटिक गतिविधि की तुलना करके, उन्होंने ग्यारह ऐसे जीन पहचाने जो प्रकाश में बदलाव के प्रति सीधे प्रतिक्रिया करते हैं। यह परीक्षण करने के लिए कि क्या ये जीन वास्तव में एल्कलॉइड्स बनाने के लिए जिम्मेदार हैं, उन्होंने एक सरल प्रयोग किया। उन्होंने कुछ पौधों को छाया में उगाया और फिर उन्हें वापस रोशनी में ले आए, और यह देखते रहे कि जीन की गतिविधि और रसायनों के स्तर में कैसे बदलाव आता है। उन्होंने पाया कि तीन विशिष्ट जीन, जिन्हें उन्होंने उनके कार्य के आधार पर नाम दिया था, एल्कलॉइड्स के स्तर के साथ पूरी तरह से तालमेल बिठाते हुए ऊपर-नीचे हुए। जब रोशनी वापस आई, तो जीन जाग गए, और रसायन जमा होने लगे।

यह सिद्ध करने के लिए कि ये जीन केवल दर्शक नहीं बल्कि वास्तविक निर्माता हैं, वैज्ञानिकों ने एक सीधा परीक्षण किया। उन्होंने एक जीवित पौधे में दो प्रमुख जीनों को अस्थायी रूप से शांत (silence) करने या बंद करने की तकनीक का उपयोग किया। जब इन जीनों को शांत कर दिया गया, तो पौधे की रिनकोफिलाइन और आइसोरिनकोफिलाइन बनाने की क्षमता काफी कम हो गई। इस परिणाम ने पुष्टि की कि ये विशिष्ट जेनेटिक निर्देश इन यौगिकों के निर्माण के लिए आवश्यक हैं। अध्ययन केवल जीनों की पहचान करने तक ही सीमित नहीं रहा; इसने पूर्ण-लंबाई वाले जेनेटिक अनुक्रमों का एक विस्तृत दृश्य भी प्रदान किया, जो पहले की तुलना में अधिक स्पष्ट चित्र प्रस्तुत करता है। पौधे के रसायनों के विस्तृत अवलोकन को उसके जेनेटिक कोड और प्रकाश के प्रति उसकी प्रतिक्रिया के गहरे विश्लेषण के साथ जोड़कर, शोधकर्ताओं ने यह समझने के लिए एक ठोस आधार प्रदान किया है कि यह पौधा अपनी औषधि कैसे बनाता है। यह कार्य इस दावे के साथ नहीं है कि इसने पौधे के जीव विज्ञान के हर रहस्य को सुलझा लिया है, बल्कि इसने मार्ग को आलोकित किया है, विशिष्ट जेनेटिक श्रमिकों और उन पर्यावरणीय संकेतों की पहचान की है जो इन महत्वपूर्ण प्राकृतिक यौगिकों के उत्पादन को संचालित करते हैं।