Integrative transcriptomics identifies lncRNAs associated with trehalose transporter expression and carbohydrate homeostasis in Spodoptera frugiperda

एक कीट के शरीर की हलचल भरी दुनिया में, ऊर्जा एक ऐसी मुद्रा है जिसे अत्यंत सटीकता के साथ प्रबंधित किया जाना चाहिए। मनुष्यों के विपरीत, जो विभिन्न प्रकार की संचारित शर्कराओं पर निर्भर कर सकते हैं, कई कीट अपनी मांसपेशियों, मस्तिष्क और बढ़ते ऊतकों को ईंधन देने के लिए लगभग पूरी तरह से ट्रेहलोस (trehalose) नामक एक एकल शर्करा पर निर्भर करते हैं। यह अणु एक महत्वपूर्ण भंडार के रूप में कार्य करता है, जो उड़ान, विकास और कठिन परिस्थितियों में जीवित रहने के लिए तत्काल शक्ति प्रदान करने हेतु उनके रक्त में संचारित होता है। इस प्रणाली को सुचारू रूप से चलाने के लिए, कीट को लगातार ट्रेहलोस का निर्माण करना चाहिए, ऊर्जा की आवश्यकता होने पर इसे उपयोग योग्य ग्लूकोज में तोड़ना चाहिए, और इसे शरीर के विभिन्न हिस्सों के बीच पहुँचाना चाहिए। इस नाजुक संतुलन को विशिष्ट प्रोटीन द्वारा नियंत्रित किया जाता है जो शर्करा बनाने या तोड़ने के लिए एंजाइम के रूपas कार्य करते हैं, और ट्रांसपोर्टर जो इसे वहां ले जाते हैं जहां इसकी आवश्यकता होती है। यदि यह प्रणाली विफल हो जाती है, तो कीट न तो बढ़ सकता है, न ही अपनी त्वचा बदल (molt) सकता है, और अक्सर जीवित भी नहीं रह पाता। वर्षों तक, वैज्ञानिक इन प्रोटीनों की मशीनरी को समझते थे, लेकिन उनके पास उन अदृश्य प्रबंधकों के बारे में एक 'ब्लाइंड स्पॉट' (अज्ञानता) था जो मशीनरी को बताते हैं कि कब काम करना है और कब आराम करना है।

शोधकर्ताओं ने अब फॉल आर्मीवॉर्म (fall armyworm) में, जो एक विनाशकारी कृषि कीट है, नियंत्रण की एक छिपी हुई परत का अनावरण किया है, जिससे पता चला है कि लॉन्ग नॉन-कोडिंग आरएनए (long non-coding RNAs) के रूप में ज्ञात लंबे जेनेटिक पदार्थ इन प्रबंधकों के रूप में कार्य करते हैं। ये अणु पारंपरिक जीन की तरह प्रोटीन का निर्माण नहीं करते हैं; इसके बजाय, वे नियामक स्विच (regulatory switches) के रूप में कार्य करते हैं जो ट्रेहलोस परिवहन के लिए जिम्मेदार जीनों की अभिव्यक्ति को सूक्ष्मता से नियंत्रित करते हैं। विभिन्न स्थितियों के तहत—जैसे कि जब प्रमुख चयापचय जीनों को शांत (silence) कर दिया गया या जब कीट को विभिन्न शर्कराओं खिलाया गया—कीट की आनुवंशिक गतिविधि का विश्लेषण करके, टीम ने विशिष्ट लॉन्ग नॉन-कोडिंग आरएनए की पहचान की जो ट्रेहलोस के परिवहन से मजबूती से जुड़े हुए हैं। उनका कार्य बताता है कि ये आरएनए अणु केवल निष्क्रिय दर्शक नहीं हैं, बल्कि कीट की ऊर्जा संतुलन बनाए रखने की क्षमता में सक्रिय भागीदार हैं, जो सीधे तौर पर इस बात को प्रभावित करते हैं कि लार्वा कितनी तेजी से बढ़ता है और वे अपने शर्करा भंडार को कैसे संभालते हैं।

जांच की शुरुआत तनाव के तहत फॉल आर्मीवॉर्म लार्वा की आनुवंशिक गतिविधि को देखकर शुरू हुई। वैज्ञानिकों ने दो अलग-अलग परिदृश्य बनाए ताकि यह देखा जा सके कि कीट का जेनेटिक कोड कैसे प्रतिक्रिया देता है। पहले परिदृश्य में, उन्होंने ट्रेहलोस बनाने और तोड़ने के लिए जिम्मेदार जीनों को शांत करने की तकनीक का उपयोग किया, जिससे प्रभावी रूप से शर्करा की आपूर्ति और मांग को काट दिया गया। दूसरे परिदृश्य में, उन्होंने लार्वा को ग्लूकोज या ट्रेहलोस से भरपूर आहार खिलाया ताकि यह देखा जा सके कि कीट अचानक शर्करा के प्रवाह के प्रति अपने आंतरिक तंत्र को कैसे समायोजित करता है। इन कीटों के आरएनए को अनुक्रमित (sequencing) करके, उन्होंने हजारों जेनेटिक ट्रांसक्रिप्ट्स का मानचित्र तैयार किया। हालांकि वे उन जीनों में परिवर्तन देखने की उम्मीद कर रहे थे जो प्रोटीन बनाते हैं, वे विशेष रूप से लॉन्ग नॉन-कोडिंग आरएनए में रुचि रखते थे, जिन्हें पहले काफी हद तक अनदेखा किया गया था। उन्होंने लाखों जेनेटिक रीड्स को छाँटा, उन रीड्स को हटा दिया जो मानक प्रोटीन या हाउसकीपिंग अणुओं की तरह दिखते थे, ताकि इन नियामक आरएनए की एक उच्च-विश्वास वाली सूची प्राप्त की जा सके।

इस डेटा से जो उभर कर आया वह एक गतिशील नियामक नेटवर्क की स्पष्ट तस्वीर थी। शोधकर्ताओं ने पाया कि जब कीट का ट्रेहलोस चयापचय बाधित हुआ, तो विशिष्ट लॉन्ग नॉन-कोडिंग आरएनए की गतिविधि के स्तर में नाटकीय रूप से परिवर्तन आया। कुछ अणु अधिक प्रचुर मात्रा में हो गए, जबकि अन्य गायब हो गए। यह समझने के लिए कि इनमें से कौन से सबसे महत्वपूर्ण थे, टीम ने उनकी भौतिक संरचना का अध्ययन किया। उन्होंने इन आरएनए स्ट्रैंड्स को उनके मुड़े हुए आकार में बनाए रखने के लिए आवश्यक ऊर्जा की गणना की, जिससे उन उपसमूहों की पहचान हुई जो संरचनात्मक रूप से स्थिर थे और नियामक कार्य करने के लिए पर्याप्त समय तक बने रहने की संभावना रखते थे। इन स्थिर अणुओं को फिर उन जीनों के साथ क्रॉस-रेफरेंस किया गया जिन्हें वे नियंत्रित कर सकते थे। विश्लेषण ने ट्रांसपोर्टरों के एक विशिष्ट समूह की ओर संकेत किया, जिन्हें टीआरईटी (TRETs) के रूप में जाना जाता है, जो सेल मेम्ब्रेन के पार ट्रेहलोस को ले जाने के लिए जिम्मेदार हैं। डेटा ने इन विशिष्ट लॉन्ग नॉन-कोडिंग आरएनए की गतिविधि और इन ट्रांसपोर्टरों की गतिविधि के बीच एक मजबूत सांख्यिकीय संबंध दिखाया, जो एक प्रत्यक्ष संबंध का सुझाव देता है जहाँ एक दूसरे को प्रभावित करता है।

इस संबंध को सिद्ध करने के लिए, वैज्ञानिक कंप्यूटर विश्लेषण से प्रयोगशाला की ओर बढ़े। उन्होंने तीन विशिष्ट लॉन्ग नॉन-कोडिंग आरएनए का चयन किया जो ट्रेहलोस ट्रांसपोर्टरों के साथ सबसे मजबूत संबंध दिखाते थे और जीवित लार्वा में उन्हें शांत करने की विधि डिजाइन की। उन्होंने कीटों को ऐसे बैक्टीरिया खिलाए जो इन विशिष्ट अणुओं से मेल खाने वाले आरएनए अंशों को उत्पन्न करने के लिए इंजीनियर किए गए थे, जिससे प्रभावी रूप से कीट की अपनी रक्षा प्रणाली को लक्षित आरएनए को नष्ट करने के लिए धोखा दिया गया। परिणाम तत्काल और स्पष्ट थे। जब एक लक्षित आरएनए को शांत किया गया, तो लार्वा अपने सामान्य समकक्षों की तुलना में काफी छोटे आकार के रहे, और ट्रेहलोस ट्रांसपोर्टर का जीन अत्यधिक सक्रिय हो गया। इसके विपरीत, अन्य दो लक्षित आरएनए को शांत करने से लार्वा बड़े आकार के रहे और ट्रांसपोर्टर की गतिविधि में अलग बदलाव आए। इसने प्रदर्शित किया कि ये आरएनए अणु परिवहन प्रणाली के लिए ब्रेक या एक्सीलेटर के रूपक के रूप में कार्य करते हैं; उन्हें हटाने से कीट का ऊर्जा वितरण असंतुलित हो गया।

इस असंतुलन के परिणाम न केवल आकार में, बल्कि कीट की रासायनिक संरचना में भी दिखाई दिए। शोधकर्ताओं ने साइलेंस्ड (शांत किए गए) लार्वा में शर्करा और अन्य चयापचय यौगिकों के स्तर को मापा। परिवर्तित विकास पैटर्न वाले लार्वा में उनकी आंतरिक रसायन विज्ञान में महत्वपूर्ण बदलाव देखे गए। उदाहरण के लिए, जो लार्वा छोटे आकार के रहे उनमें ट्रेहलोस और ग्लूकोज दोनों का उच्च स्तर पाया गया, जो यह दर्शाता है कि शर्करा जमा हो रही थी क्योंकि इसे उन ऊतकों तक सही ढंग से वितरित नहीं किया जा रहा था जिन्हें इसकी आवश्यकता थी। अन्य लार्वा, जो बड़े आकार के रहे, उनमें शर्करा संचय के अलग पैटर्न और प्रमुख चयापचय मध्यवर्ती (intermediates) के स्तर में परिवर्तन देखे गए। ये निष्कर्ष पुष्टि करते हैं कि लॉन्ग नॉन-कोडिंग आरएनए केवल प्रक्रिया से जुड़े नहीं हैं, बल्कि ऊर्जा के प्रवाह को समन्वित करने के लिए आवश्यक हैं। वे सुनिश्चित करते हैं कि फैट बॉडी (fat body) में उत्पादित शर्करा सही समय पर और सही मात्रा में मांसपेशियों और मस्तिष्क तक पहुंचाई जाए।

यह अध्ययन कीटों द्वारा अपनी ऊर्जा के प्रबंधन के बारे में एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है। यह केवल एंजाइमों और ट्रांसपोर्टरों के अलग-थलग काम करने के सरल दृष्टिकोण से आगे बढ़कर एक अधिक जटिल मॉडल की ओर ले जाता है जहाँ जेनेटिक रेगुलेटर्स पूरे सिस्टम को सूक्ष्मता से नियंत्रित करते हैं। फॉल आर्मीवॉर्म, जो भारी फसल नुकसान पहुंचाने वाला एक कीट है, जीवित रहने और फलने-फूलने के लिए इसी सटीक नियमन पर निर्भर करता है। इन विशिष्ट आरएनए अणुओं की पहचान करके, शोधकर्ताओं ने इस कीट के प्रबंधन के लिए संभावित नए लक्ष्यों को रेखांकित किया है। यदि ट्रेहलोस परिवहन के नियमन को बाधित किया जा सकता है, तो कीट की बढ़ने और अनुकूलन करने की क्षमता से समझौता किया जा सकता है। यह कार्य स्थापित करता है कि ये लॉन्ग नॉन-कोडिंग आरएनए कीट के चयापचय नेटवर्क का एक महत्वपूर्ण हिस्सा हैं, जो ऊर्जा उत्पादन और वितरण के ऑर्केस्ट्रा को सुर में रखने वाले अदृश्य कंडक्टर के रूप में कार्य करते हैं।