Rethinking aerobic glucose metabolism in Saccharomyces cerevisiae: is glucose completely fermented to ethanol at high concentrations?
यह शोध पत्र इस पारंपरिक दृष्टिकोण को चुनौती देता है कि *Saccharomyces cerevisiae* में एरोबिक ग्लूकोज चयापचय में उच्च ग्लूकोज सांद्रता पर प्रत्यक्ष श्वसन और किण्वन (fermentation) एक साथ होता है, इसके बजाय यह प्रस्तावित करता है कि ग्लूकोज पहले इथेनॉल में पूर्ण रूप से किण्वित होता है जिसके बाद इथेनॉल का ऑक्सीकरण होता है, और इस परिकल्पना का परीक्षण करने के लिए एक मात्रात्मक आइसोटोप-ट्रेसिंग प्रयोगात्मक डिजाइन की रूपरेखा प्रस्तुत करता है।
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सदियों से, जीवविज्ञानी एक सूक्ष्म, एककोशिकीय कवक, Saccharomyces cerevisiae को एक अजीब करतब करते हुए देख रहे हैं। जब इस यीस्ट (yeast) को—वही जीव जिसका उपयोग ब्रेड बनाने और बीयर बनाने में किया जाता है—चीनी से भरे टैंक में रखा जाता है और इसे पर्याप्त ऑक्सीजन दी जाती है, तो यह कुछ अप्रत्याशित करता है। ऑक्सीजन का उपयोग करके चीनी को अधिकतम ऊर्जा के लिए पूरी तरह से जलाने के बजाय, यह चीनी को अल्कोहल में बदलने के लिए तेजी से दौड़ पड़ता है। 'क्रैबट्री प्रभाव' (Crabtree effect) के रूप में ज्ञात यह व्यवहार लंबे समय से एक समझौते के रूप में समझा गया है। मानक दृष्टिकोण यह है कि यीस्ट एक साथ दो काम कर रहा है: यह कुछ चीनी को अल्कोहल में किण्वन (fermentation) के माध्यम से बदल रहा है और साथ ही उसी चीनी के एक अलग हिस्से को ऑक्सीजन के साथ जलाकर बढ़ने के लिए उपयोग कर रहा है। ऐसा माना जाता था कि चीनी को बीच से विभाजित किया जा रहा है, जिसमें आधा हिस्सा किण्वन के लिए जा रहा है और दूसरा हिस्सा श्वसन (respiration) के लिए।
यह प्रश्न महत्वपूर्ण है क्योंकि यीस्ट चीनी को ठीक से कैसे खाता है, इसे समझना वैज्ञानिकों को उद्योग में किण्वन को नियंत्रित करने और कोशिकाएं ऊर्जा का प्रबंधन कैसे करती हैं, इसे समझने में मदद करता है। यदि यीस्ट वास्तव में अपनी चीनी की आपूर्ति को दो अलग-अलग रास्तों के बीच विभाजित कर रहा है, तो इस प्रक्रिया का गणित एक तरह का होगा। लेकिन यदि यीस्ट वास्तव में एक अलग मार्ग अपना रहा है, तो इसके चयापचय (metabolism) की पूरी तस्वीर बदल जाएगी। मुख्य रहस्य यह है कि यीस्ट द्वारा ली जाने वाली ऑक्सीजन का उपयोग चीनी को सीधे जलाने के लिए किया जा रहा है, या उस चीज़ को जलाने के लिए किया जा रहा है जिसे यीस्ट ने पहले चीनी से बनाया है।
डेविड बैरस मार्टिनेज नामक एक शोधकर्ता ने उन प्रयोगों के पुराने डेटा का बारीकी से अध्ययन किया है जहाँ उच्च चीनी सांद्रता वाले टैंकों में यीस्ट को उगाया गया था। उन्होंने देखा कि मानक मॉडल जिसे समझाने में संघर्ष करता है, वह कुछ ऐसा है। इन प्रयोगों में, यीस्ट ने प्रति लीटर तरल में बीस ग्राम चीनी से शुरुआत की थी। जैसे-जैसे यीस्ट ने चीनी खाई, उसने प्रति लीटर लगभग दस ग्राम अल्कोहल का उत्पादन किया। यह संख्या यादृच्छिक नहीं है; यह लगभग अल्कोहल की वह अधिकतम मात्रा है जो तब बन सकती है जब चीनी के प्रत्येक अणु को अल्कोहल और कार्बन डाइऑक्साइड में बदल दिया जाए। यदि यीस्ट वास्तव में ऑक्सीजन के साथ उस चीनी को सीधे जला रहा होता, जैसा कि पारंपरिक मॉडल सुझाव देता है, तो अल्कोहल बनाने के लिए बची हुई चीनी कम होती, और अंतिम अल्कोहल का स्तर काफी कम होता। अल्कोहल की पैदावार का सैद्धांतिक अधिकतम के इतने करीब होना यह सुझाव देता है कि यीस्ट शायद सीधे चीनी को नहीं जला रहा है।
चीनी को विभाजित करने के विचार के बजाय, बैरस घटनाओं के एक अलग क्रम का प्रस्ताव करते हैं। उनका सुझाव है कि जब चीनी प्रचुर मात्रा में होती है, तो यीस्ट लगभग सारी चीनी को पहले किण्वन पथ पर भेज देता है, जिससे उसे पूरी तरह से अल्कोहल और कार्बन डाइऑक्साइड में बदल दिया जाता है। उनका तर्क है कि इस दौरान यीस्ट जो ऑक्सीजन लेता है, वह चीनी को नहीं जला रही है। इसके बजाय, यीस्ट तुरंत उस अल्कोहल को जला रहा है जिसे उसने अभी-अभी बनाया है। इस दृष्टिकोण में, यह प्रक्रिया एक विभाजित निर्णय नहीं बल्कि एक रिले रेस (relay race) है। चीनी पहला भाग दौड़ती है, अल्कोहल में बदलती है, और फिर वह अल्कोहल दूसरा भाग दौड़ता है, जिसे ऊर्जा के लिए जलाया जाता है। यह स्पष्ट करेगा कि ऑक्सीजन का उपयोग तब भी क्यों किया जा रहा है जब चीनी अभी भी मौजूद है और अल्कोहल का उत्पादन हो रहा है। यीस्ट सीधे चीनी को नहीं जला रहा है; वह उस अल्कोहल को जला रहा है जो उसने चीनी से बनाया है।
इसे सिद्ध करने के लिए, शोधकर्ता एक विशेष प्रकार की चीनी का उपयोग करने की योजना की रूपरेखा तैयार करते हैं जो एक 'ट्रेसर' (tracer) के रूप में कार्य करती है। कल्पना कीजिए कि आप यीस्ट को ऐसी चीनी खिला रहे हैं जहाँ प्रत्येक परमाणु सामान्य प्रकार के परमाणु का थोड़ा भारी संस्करण है, एक ऐसा संस्करण जिसे एक चमकते हुए टैग की तरह ट्रैक किया जा सकता है। यदि पारंपरिक मॉडल सही है, तो यह टैग्ड चीनी अल्कोहल में दिखाई देगी, लेकिन यह जलाने के उपोत्पादों (byproducts) में भी तुरंत दिखाई देनी चाहिए, क्योंकि कुछ चीनी सीधे जलाई जा रही है। यदि बैरस का नया विचार सही है, तो टैग्ड चीनी लगभग पूरी तरह से पहले अल्कोहल में दिखाई देगी। टैग्ड कार्बन केवल बाद में जलाने के उपोत्पादों में दिखाई देगा, अल्कोहल में परिवर्तित होने और फिर जलने के बाद।
यह शोध पत्र दूसरे प्रयोग का भी सुझाव देता है ताकि इस विचार का परीक्षण किया जा सके कि क्या यीस्ट चीनी मौजूद रहने के दौरान अपने स्वयं के अल्कोहल को जलाता है। इस परीक्षण में, वैज्ञानिक सामान्य चीनी खिलाएंगे लेकिन थोड़ी मात्रा में टैग्ड अल्कोहल मिला देंगे। यदि यीस्ट वास्तव में चीनी मौजूद होने के दौरान अल्कोहल को जला रहा है, तो टैग्ड अल्कोहल गायब हो जाना चाहिए और कार्बन डाइऑक्साइड और अन्य दहन उत्पादों में बदल जाना चाहिए, भले ही सामान्य चीनी अभी भी टैंक में रखी हो। यह पुष्टि करेगा कि यीस्ट चीनी खत्म होने का इंतजार किए बिना अपने स्वयं के अपशिष्ट उत्पाद को जलाने में सक्षम है।
बैरस सावधानी से कहते हैं कि यह एक परिकल्पना है जिसे परीक्षण की आवश्यकता है, न कि एक सिद्ध तथ्य। विचार को जन्म देने वाले अवलोकन पिछले प्रयोगों से आए हैं जिन्हें इस विशिष्ट तरीके से परमाणुओं को ट्रैक करने के लिए डिज़ाइन नहीं किया गया था। डेटा दिखाता है कि अल्कोहल का स्तर उच्च है, जो नए विचार के अनुकूल है, लेकिन यह अभी तक यह सिद्ध नहीं करता कि कार्बन ने कौन सा मार्ग अपनाया। लेखक का तर्क है कि डेटा को देखने का पुराना तरीका, जो एक विभाजित पथ मानकर चलता है, घटनाओं के वास्तविक क्रम को छिपा सकता है। इन नए ट्रेसिंग तरीकों का उपयोग करके, वैज्ञानिक अंततः यह देख पाएंगे कि क्या यीस्ट अपनी चीनी को विभाजित कर रहा है या वह एक क्रमिक पथ ले रहा है, यानी चीनी को अल्कोहल में बदलना और फिर अल्कोहल को जलाना। इसका उत्तर दुनिया के सबसे अधिक अध्ययन किए जाने वाले जीवों में से एक के ऊर्जा चयन के बारे में हमारी समझ को बदल देगा।
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