Enhanced production of cis-13,16-docosadienoic acid in Yarrowia lipolytica via systematic metabolic engineering
इस अध्ययन ने अग्रदूत आपूर्ति और दीर्घीकरण मार्गों को अनुकूलित करके *Yarrowia lipolytica* में cis-13,16-docosadienoic acid (DDA) के उत्पादन को व्यवस्थित रूप से बढ़ाया, जिसके परिणामस्वरूप एक स्ट्रेन (YL-11) प्राप्त हुआ जिसने 5.34 mg/L का रिकॉर्ड-उच्च DDA टिटर हासिल किया।
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एककोशिकीय कवक की सूक्ष्म दुनिया के भीतर, प्रकृति ने जटिल अणुओं को चीनी जैसे सरल अवयवों से जोड़ने में सक्षम जटिल कारखाने बनाए हैं। इन अणुओं में फैटी एसिड भी शामिल हैं, जो तेलों और वसा के निर्माण खंड हैं और मानव स्वास्थ्य तथा प्राकृतिक दुनिया दोनों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। इनमें से कुछ फैटी एसिड, जिन्हें पॉलीअनसैचुरेटेड फैट्स (बहु-असंतृप्त वसा) कहा जाता है, विशेष रूप से मूल्यवान हैं क्योंकि मानव शरीर उन्हें स्वयं नहीं बना सकता; हमें उन्हें अपने आहार से प्राप्त करना पड़ता है। ऐसा ही एक अणु, जिसे बाईस-कार्बन श्रृंखला 'सिस-13,16-डोकोसाडिएनोइक एसिड' कहा जाता है, ने हाल ही में वैज्ञानिकों का ध्यान आकर्षित किया है। शोध बताते हैं कि इस विशिष्ट वसा में शक्तिशाली गुण हैं, जिसमें कुछ कैंसर कोशिकाओं की वृद्धि को धीमा करने और सूजन से लड़ने की क्षमता शामिल है। अब तक, इस पदार्थ को प्राप्त करना एक कठिन कार्य रहा है। यह प्राकृतिक रूप से केवल एक दुर्लभ शीतकालीन पौधे के बीजों में पाया जाता है, जो धीरे-धीरे बढ़ता है और जिसे बड़ी मात्रा में उगाना कठिन है। इसे प्रयोगशाला में बनाने की रासायनिक विधियाँ भी समान रूप से चुनौतीपूर्ण हैं, जिनमें जटिल चरण और उच्च लागत शामिल है। इसने शोधकर्ताओं को एक बेहतर तरीका खोजने के लिए प्रेरित किया है, जिससे उनकी नज़र यीस्ट यारोविया लिपोलिटिका (Yarrowia lipolytica) पर टिकी है, जो तेल जमा करने की अपनी क्षमता के लिए जाना जाने वाला एक मजबूत सूक्ष्मजीव है।
चुनौती इस बात में है कि इस यीस्ट को वह अणु बनाने के लिए कैसे मनाया जाए जिसे वह स्वाभाविक रूप से नहीं बनाता है। यह यीस्ट पहले से ही लिनोलिक एसिड नामक एक अग्रदूत (प्रिकर्सर) बनाने में काफी कुशल है, लेकिन इसके पास उस अग्रदूत को लंबी, अधिक जटिल श्रृंखला में खींचने के लिए आवश्यक विशिष्ट उपकरण नहीं हैं जिसकी अंतिम उत्पाद के लिए आवश्यकता होती है। इस समस्या को हल करने के लिए, हुनान एग्रीकल्चरल यूनिवर्सिटी और अन्य संस्थानों के शोधकर्ताओं के एक दल ने यीस्ट के साथ एक जैविक कार्यशाला (वर्कशॉप) की तरह व्यवहार किया, और काम को पूरा करने के लिए आवश्यक आनुवंशिक उपकरणों को व्यवस्थित रूप से जोड़ा और समायोजित किया। उन्होंने इसकी शुरुआत यह सुनिश्चित करके की कि कार्यशाला के पास शुरुआती सामग्री की प्रचुर आपूर्ति हो। अन्य जीवों से प्राप्त जीन को पेश करके, जो विशेष परिवर्तकों (कन्वर्टर्स) के रूप में कार्य करते हैं, वे यीस्ट कोशिकाओं के भीतर लिनोलिक एसिड की मात्रा बढ़ाने में सफल रहे। यह चरण महत्वपूर्ण था, क्योंकि कच्चे माल की कमी अक्सर पूरी उत्पादन श्रृंखला में बाधा बन जाती है।
कच्चे माल की आपूर्ति सुरक्षित करने के बाद, टीम ने अपना ध्यान असेंबली लाइन की ओर केंद्रित किया। अग्रदूत को अंतिम उत्पाद में बदलने के लिए दो-चरणीय खिंचाव (स्ट्रेचिंग) प्रक्रिया की आवश्यकता होती है। शोधकर्ताओं ने इस खिंचाव के लिए जिम्मेदार विभिन्न एंजाइमों के संस्करणों का परीक्षण किया, ठीक वैसे ही जैसे यह देखने के लिए अलग-अलग उपकरणों को आज़माना कि कौन सा काम के लिए सबसे उपयुक्त है। उन्होंने पाया कि एक विशिष्ट एंजाइम संयोजन अन्य की तुलना में काफी बेहतर काम करता था, जिसने फैटी एसिड श्रृंखला को सफलतापूर्वक बढ़ाया। हालाँकि, प्रक्रिया अभी भी पर्याप्त कुशल नहीं थी। यीस्ट श्रृंखला के मध्यवर्ती चरण का उत्पादन तो कर रहा था, लेकिन अंतिम कार्य पूरा करने में संघर्ष कर रहा था। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिकों ने 'एंजाइम फ्यूजन' नामक तकनीक का उपयोग किया, जहाँ उन्होंने दो आवश्यक एंजाइमों को भौतिक रूप से एक साथ जोड़ा, इस उम्मीद में कि इससे उनके बीच सामग्रियों का स्थानांतरण अधिक सुचारू हो जाएगा। आश्चर्यजनक रूप से, यह दृष्टिकोण उम्मीद के मुताबिक काम नहीं आया। जुड़े हुए एंजाइम एक-दूसरे के काम में बाधा डालते प्रतीत हुए, और अंतिम उत्पाद का उत्पादन बेहतर नहीं हुआ। इस परिणाम ने टीम को सिखाया कि उपकरणों को बस आपस में जोड़ देने से वे हमेशा बेहतर काम नहीं करते; कभी-कभी, जुड़ाव से अधिक उनका विन्यास (अरेंजमेंट) मायने रखता है।
निराश न होते हुए, शोधकर्ताओं ने अपनी रणनीति बदलकर इन एंजाइमों को चलाने वाले निर्देशों की शक्ति पर ध्यान केंद्रित किया। उन्होंने खिंचाव की प्रक्रिया के लिए जिम्मेदार जीनों की प्रतियों की संख्या बढ़ाई और इन जीनों को नियंत्रित करने के लिए विभिन्न आनुवंशिक स्विचों, जिन्हें प्रमोटर कहा जाता है, का परीक्षण किया। एक विपरीत निष्कर्ष के रूप में, उन्होंने पाया कि एक मजबूत स्विच की तुलना में एक कमजोर स्विच वास्तव में बेहतर परिणाम देता है। यह सुझाव देता है कि एक जीवित कोशिका के जटिल वातावरण में, एक क्षेत्र में बहुत अधिक गतिविधि कभी-कभी पूरे तंत्र के संतुलन को बिगाड़ सकती है। जीनों की अभिव्यक्ति (एक्सप्रेशन) को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, उन्होंने यीस्ट का एक ऐसा स्ट्रेन तैयार किया जो वांछित फैटी एसिड को पहले की तुलना में बहुत अधिक प्रभावी ढंग से अग्रदूत में बदल सकता था।
टीम ने एक दूसरा पहलू भी तलाशा: यीस्ट द्वारा बनाई गई चीज़ों को टूटने से रोकना। उन्होंने एक ऐसे जीन को हटा दिया जो फैटी एसिड को स्वाभाविक रूप से नष्ट करने वाली सेलुलर सफाई प्रक्रिया के लिए जिम्मेदार है, इस उम्मीद में कि इससे मूल्यवान उत्पाद का संचय हो सकेगा। जबकि इस परिवर्तन के कारण यीस्ट ने कुल मिलाकर अधिक तेल का भंडारण किया, इसका एक विनाशकारी दुष्प्रभाव हुआ: वह विशिष्ट फैटी एसिड जिसे वे बनाने की कोशिश कर रहे थे, पूरी तरह से गायब हो गया। सफाई प्रणाली के व्यवधान ने कोशिका के चयापचय (मेटाबॉलिज्म) को इतनी बुरी तरह से भ्रमित कर दिया कि वह लक्षित अणु का संश्लेषण करने में असमर्थ हो गई। इसने उस विशेष रणनीति को खारिज कर दिया, जो जीवित जीवों को इंजीनियर करने के लिए आवश्यक नाजुक संतुलन को रेखांकित करती है।
परीक्षण, त्रुटि और परिशोधन की इस प्रक्रिया के माध्यम से, शोधकर्ताओं ने सफलतापूर्वक यीस्ट का एक ऐसा स्ट्रेन विकसित किया जो प्रयोगशाला सेटिंग में जटिल औद्योगिक किण्वन (फरमेंटेशन) उपकरणों का उपयोग किए बिना, इस मूल्यवान फैटी एसिड की उच्चतम मात्रा का उत्पादन करता है। साधारण शेक-फ़्लास्क कल्चर में, इंजीनियर किया गया यीस्ट 5.34 मिलीग्राम प्रति लीटर की सांद्रता तक पहुँच गया, जिसमें लक्षित अणु कुल वसा का 0.47 प्रतिशत था। यह उपलब्धि प्रदर्शित करती है कि सूक्ष्मजीवों के मेटाबोलिक मार्गों को व्यवस्थित रूप से समझकर और समायोजित करके, वैज्ञानिक उन्हें जटिल, उच्च-मूल्य वाले पदार्थों का उत्पादन करने के लिए प्रेरित कर सकते हैं जो पहले कठिन थे। यह कार्य बड़े पैमाने पर उत्पादन को बढ़ाने के भविष्य के प्रयासों के लिए एक आधार तैयार करता है, जो चिकित्सा और पोषण के लिए महत्वपूर्ण संभावनाओं वाले अणु का एक टिकाऊ और सुलभ स्रोत प्रदान कर सकता है।
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