TOR inhibition drives accumulation of amino acids through transcriptional activation in algae
यह अध्ययन प्रकट करता है कि हरे शैवाल *Chromochloris zofingiensis* में, TOR निषेध (inhibition) bHLHACT+ ट्रांसक्रिप्शन फैक्टर को अपरेगुलेट करके अमीनो एसिड के संचय को प्रेरित करता है, जो सीधे अमीनो एसिड बायोसिंथेसिस जीन से जुड़ता है और उन्हें सक्रिय करता है, जिससे प्रकाश संश्लेषक जीवों में नाइट्रोजन चयापचय के लिए एक संरक्षित नियामक तंत्र स्थापित होता है।
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प्रत्येक जीवित कोशिका एक निरंतर संतुलन बनाने के संघर्ष का सामना करती है। इसे ऊर्जा और पोषक तत्व लेने चाहिए, अपने कार्यों को चलाने के लिए उन्हें तोड़ना चाहिए, और बचे हुए अवशेषों का उपयोग नए भागों के निर्माण के लिए करना चाहिए। पौधों और शैवाल की सूक्ष्म दुनिया में, इस संतुलन को TOR नामक एक मुख्य नियामक द्वारा प्रबंधित किया जाता है। TOR को एक केंद्रीय स्विचबोर्ड के रूप में सोचें जो कार्बन (जैसे चीनी) और नाइट्रोजन (जैसे अमीनो एसिड) की आपूर्ति पर ध्यान देता है और यह निर्णय लेता है कि क्या बढ़ने का समय है या संरक्षण करने का समय है। जब स्थितियाँ अनुकूल होती हैं, तो TOR कोशिका को प्रोटीन बनाने और संख्या बढ़ाने का संकेत देता है। जब पोषक तत्वों की कमी होती है, तो यह गतिविधियों को धीमा कर देता है। जबकि वैज्ञानिक जानवरों और यीस्ट में इस स्विच के काम करने के तरीके को लंबे समय से समझते रहे हैं, शैवाल और पौधों जैसे प्रकाश संश्लेषक जीवों के लिए नियम एक रहस्य बने हुए थे। ज्ञान का यह अंतर महत्वपूर्ण है क्योंकि ये जीव खाद्य जाल का आधार बनते हैं और वैश्विक कार्बन चक्रों में प्रमुख भूमिका निभाते हैं, फिर भी तनाव के तहत विकास को प्रबंधित करने के लिए उनका आंतरिक तर्क डिकोड करना कठिन रहा है।
इस पहेली को सुलझाने के लिए, शोधकर्ताओं ने 'क्रोमोक्लॉरिस जोफिंगिएन्सिस' (Chromochloris zofingiensis) नामक एक एकल-कोशिका वाले हरे शैवाल की ओर रुख किया। यह जीव एक उपयोगी मॉडल है क्योंकि यह एक डिश में अध्ययन करने के लिए पर्याप्त सरल है लेकिन इतना जटिल भी है कि बड़े पौधों के समान बुनियादी मशीनरी साझा करता है। टीम यह देखना चाहती थी कि जब वे TOR स्विच को बंद करते हैं तो वास्तव में क्या होता है। अन्य जीवों के पिछले अध्ययनों में, TOR को बंद करने से अमीनो एसिड का संचय होता था, जो प्रोटीन के निर्माण खंड हैं, लेकिन इसका कारण स्पष्ट नहीं था। जानवरों में, एक विशिष्ट प्रोटीन आमतौर पर इस संचय को ट्रिगर करने के लिए आगे आता है, लेकिन वह प्रोटीन पौधों और शैवाल में मौजूद नहीं है। शोधकर्ताओं को संदेह था कि इन प्रकाश संश्लेषक जीवन रूपों में, एक अलग तंत्र काम कर रहा होगा, जो शून्य से अधिक अमीनो एसिड बनाने के लिए विशिष्ट जीन को सक्रिय करने में शामिल हो सकता है।
वैज्ञानिकों ने पहले शैवाल को उगाया और फिर TOR स्विच को काम करने से रोकने के लिए एक रासायनिक अवरोधक (inhibitor) पेश किया। उन्होंने यह भी परीक्षण किया कि क्या होता है जब उन्होंने ग्लूकोज जोड़ा, जो एक प्रकार की चीनी है जो आमतौर पर ईंधन संकेत के रूप में कार्य करती है। उन्होंने पाया कि जब TOR को बाधित किया गया, तो शैवाल ने बढ़ना बंद कर दिया, भले ही चीनी मौजूद थी। कोशिकाओं के रंग में परिवर्तन आया, वे एक सुरक्षात्मक वर्णक (pigment) को जमा करते हुए नारंगी हो गईं, लेकिन उनके आकार में वृद्धि नहीं हुई। इसने पुष्टि की कि TOR स्विच इस शैवाल में विकास के लिए आवश्यक है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि टीम ने पाया कि चीनी की उपस्थिति ने TOR को ब्लॉक करने के प्रभावों को कम नहीं किया। दोनों संकेत—चीनी की उपलब्धता और TOR स्विच—अलग-अलग रास्तों पर संचालित होते थे। जबकि चीनी सक्रिय TOR के साथ विकास को चला सकती थी, वह TOR के बंद होने पर विकास को मजबूर नहीं कर सकी।
सबसे आश्चर्यजनक खोज तब हुई जब शोधकर्ताओं ने आणविक स्तर पर यह देखने के लिए कोशिकाओं के भीतर झाँका कि क्या बदल रहा है। उन्होंने पाया कि TOR को बाधित करने से कई अलग-अलग अमीनो एसिड के स्तर में तीव्र और महत्वपूर्ण वृद्धि हुई। यह संचय केवल एक घंटे के भीतर हुआ, इससे बहुत पहले कि कोशिकाएं अपने मौजूदा प्रोटीन को तोड़ने का समय पातीं। इस समय ने सुझाव दिया कि कोशिकाएं केवल पुराने हिस्सों को रीसायकल नहीं कर रही थीं; वे सक्रिय रूप से नए अमीनो एसिड बना रही थीं। यह समझने के लिए कि यह कैसे हुआ, टीम ने उन निर्देशों की जांच की जिन्हें कोशिकाएं अपने DNA से पढ़ रही थीं। उन्होंने पाया कि जब TOR को बाधित किया गया, तो शैवाल ने अमीनो एसिड बनाने के लिए जिम्मेदार जीन की आवाज़ को तेज़ कर दिया। कोशिकाएं मूल रूप से इन निर्माण खंडों का उत्पादन करने के लिए एक फैक्ट्री लाइन चालू कर रही थीं, भले ही वे बढ़ नहीं रही थीं।
शोधकर्ताओं ने फिर उस विशिष्ट "फोरमैन" (फोरमैन) को खोजने का प्रयास किया जो ये आदेश दे रहा था। उन्होंने शैवाल के जेनेटिक कोड को एक प्रकार के ट्रांसक्रिप्शन फैक्टर (transcription factor) के लिए स्कैन किया, जो एक कुंजी की तरह कार्य करता है जो जीन को चालू या बंद करने के लिए DNA पर विशिष्ट तालों में फिट बैठता है। उन्होंने एक विशेष प्रोटीन की पहचान की, जिसे उन्होंने bHLHACT+ नाम दिया, जो TOR बाधित होने पर बहुत अधिक प्रचुर मात्रा में हो गया। एक ऐसी तकनीक का उपयोग करके जो वैज्ञानिकों को यह देखने की अनुमति देती है कि एक प्रोटीन DNA के किन हिस्सों से जुड़ता है, उन्होंने पुष्टि की कि यह bHLHACT+ प्रोटीन सीधे अमीनो एसिड बनाने वाले जीनों के शुरुआती बिंदुओं से जुड़ता है। जब TOR सक्रिय होता है, तो यह प्रोटीन शांत रहता है। जब TOR बाधित होता है, तो प्रोटीन का स्तर बढ़ जाता है, यह DNA से जुड़ जाता है, और अमीनों एसिड के उत्पादन को चालू कर देता है।
यह देखने के लिए कि क्या यह इस विशिष्ट शैवाल का एक अनूठा तरीका था या प्रकृति का एक व्यापक नियम, टीम ने अन्य हरे शैवालों और पौधों के जेनेटिक ब्लूप्रिंट को देखा। उन्होंने पाया कि वह विशिष्ट DNA अनुक्रम जहाँ यह प्रोटीन जुड़ता है, कई विभिन्न प्रजातियों के बीच अत्यधिक संरक्षित (conserved) है जो सैकड़ों मिलियन वर्षों पहले एक सामान्य पूर्वज से अलग हुई थीं। यह सुझाव देता है कि अमीनो एसिड उत्पादन को विनियमित करने का यह तरीका हरे शैवालों के बीच एक प्राचीन और साझा रणनीति है। हालांकि, स्थलीय पौधों (land plants) में यह पैटर्न कम स्पष्ट था, जो दर्शाता है कि हालांकि यह तंत्र शैवाल वंश में गहराई से निहित है, लेकिन जैसे-जैसे पौधे भूमि पर आए, यह अलग तरह से विकसित हुआ होगा।
अध्ययन ने यह भी स्पष्ट किया कि क्या नहीं होता है। शोधकर्ताओं ने परीक्षण किया कि क्या एक विशिष्ट एंजाइम, जिसे हेक्सोकाइनेज (hexokinase) कहा जाता है, जो चीनी को महसूस करने में मदद करता है, इस प्रक्रिया के लिए आवश्यक था। उन्होंने पाया कि इस एंजाइम के बिना भी, TOR को बाधित करने से अमीनो एसिड का उत्पादन शुरू हो गया। इसने सिद्ध किया कि अमीनो एसिड का संचय TOR स्विच के बंद होने का सीधा परिणाम था, न कि कोशिका द्वारा चीनी के प्रसंस्करण का कोई दुष्प्रभाव। निष्कर्षों ने एक नियामक लूप (regulatory loop) की स्पष्ट तस्वीर पेश की: जब कोशिका महसूस करती है कि TOR बाधित होने के कारण विकास संभव नहीं है, तो यह तुरंत एक विशिष्ट जेनेटिक प्रोग्राम को सक्रिय कर देती है। यह सुनिश्चित करता है कि जब स्थितियाँ सुधरें और TOR को वापस चालू किया जाए, तो कोशिका के पास विकास फिर से शुरू करने के लिए आवश्यक निर्माण खंड तैयार हों।
इस मार्ग (pathway) का मानचित्रण करके, शोधकर्ताओं ने यह समझने में एक महत्वपूर्ण अंतर को भर दिया है कि प्रकाश संश्लेषक जीव अपने संसाधनों का प्रबंधन कैसे करते हैं। उन्होंने दिखाया कि ये जीव पोषक तत्वों के तनाव को संभालने के लिए जानवरों के समान बैकअप सिस्टम पर निर्भर नहीं करते हैं। इसके बजाय, वे अपने चयापचय (metabolism) को तेजी से पुनर्गठित करने के लिए एक विशेष, संरक्षित जेनेटिक स्विच का उपयोग करते हैं। कार्बन और नाइट्रोजन को संतुलित करने के लिए शैवाल के बारे में यह अंतर्दृष्टि बायोफ्यूल बनाने वाले शैवालों या फसलों के विकास में सुधार के लिए व्यावहारिक मूल्य रख सकती है, क्योंकि यह उन मूलभूत लीवरों को प्रकट करती है जिनका उपयोग यह नियंत्रित करने के लिए किया जा सकता है कि ये जीव बायोमास का निर्माण कैसे करते हैं। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि सरलतम कोशिकाओं में भी, जीवन के बुनियादी अवयवों का प्रबंधन परिष्कृत, विकासवादी रूप से प्राचीन नियमों द्वारा शासित होता है।
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