Optimization of carotenoid production by Rhodotorula mucilaginosa using sugarcane bagasse hydrolysate as carbon source and mutagen ethyl methanesulfonate for biosynthesis of antioxidant
यह अध्ययन दर्शाता है कि गन्ने की खोई (सुगरकेन बैगेस) के हाइड्रोलिसेट को कार्बन स्रोत के रूप में उपयोग करने के साथ *रोडोटोरुला म्यूसिलोजोसा* का एथिल मेथेनसल्फोनेट उत्परिवर्तन (म्यूटैजेनेसिस), कैरोटीनॉयड उत्पादन और एंटीऑक्सीडेंट गतिविधि को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है, जो कृषि अपशिष्ट को उच्च-मूल्य वाले एंटीऑक्सीडेंट में बदलने के लिए एक टिकाऊ रणनीति प्रदान करता है।
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खाद्य और औषधि की दुनिया में, प्रकृति रंगों का एक जीवंत पैलेट प्रदान करती है जो न केवल हमारी दुनिया को रंगते हैं, बल्कि इसकी रक्षा भी करते हैं। इनमें कैरोटीनॉयड शामिल हैं, जो गाजर, टमाटर और कई अन्य पौधों में पाए जाने वाले एंटीऑक्सीडेंट यौगिकों का एक परिवार है। ये अणु जीवित कोशिकाओं के लिए एक ढाल के रूप में कार्य करते हैं, हानिकारक पदार्थों को बेअसर करते हैं जो ऊतकों को नुकसान पहुँचा सकते हैं और पुरानी बीमारियों में योगदान दे सकते हैं। दशकों से, वैज्ञानिक इन मूल्यवान यौगिकों को केवल फसलों की कटाई पर निर्भर हुए बिना बनाने के तरीके खोज रहे हैं, जो मौसमी और भूमि-गहन हो सकती है। इसके बजाय, उन्होंने सूक्ष्म जगत की ओर रुख किया है, यीस्ट और बैक्टीरिया जैसे सूक्ष्म जीवों का उपयोग करके उन्हें जीवित कारखानों के रूप में इस्तेमाल किया है। इन सूक्ष्मजीवों को सरल शर्करा खिलाई जा सकती है और उन्हें बड़ी मात्रा में कैरोटीनॉयड उत्पादन के लिए प्रेरित किया जा सकता है, जो एक स्थायी विकल्प प्रदान करता है जो खाद्य आपूर्ति के साथ प्रतिस्पर्धा नहीं करता है। हालाँकि, चुनौती इन सूक्ष्मजीवों के लिए एक सस्ता और प्रचुर खाद्य स्रोत खोजने और फिर उन्हें अधिक मेहनत करने के लिए प्रशिक्षित करने में है, ताकि वे अपने प्राकृतिक समकक्षों की तुलना में कहीं अधिक पिगमेंट (रंगद्रव्य) का उत्पादन कर सकें।
इंडोनेशिया में शोधकर्ताओं की एक टीम ने कृषि अपशिष्ट को एक उच्च-मूल्य वाले उत्पाद में बदलकर इस प्रयास में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। उन्होंने गन्ने की खोई (सुगरकेन बैगस) पर ध्यान केंद्रित किया, जो गन्ने का रस निकालने के बाद बचा हुआ रेशेदार अवशेष है। यह सामग्री प्रचुर मात्रा में है, जिसका विश्व स्तर पर हर साल करोड़ों टन उत्पादन होता है, फिर भी इसका अक्सर कम उपयोग किया जाता है। शोधकर्ता जानते थे कि बैगस सेलुलोज से समृद्ध है, जो एक जटिल शर्करा है जिसे ग्लूकोज जैसी सरल शकरों में तोड़ा जा सकता है, जिसे यीस्ट खाना पसंद करता है। उनका लक्ष्य इस कचरे को रोडोटोरुला म्यूसिलोजिना (Rhodotorula mucilaginosa) के लिए एक विकास माध्यम में बदलना था, जो एक लाल यीस्ट है और अपने कैरोटीनॉयड उत्पादन की क्षमता के लिए जाना जाता है। इस प्रक्रिया को और भी कुशल बनाने के लिए, उन्होंने केवल प्राकृतिक यीस्ट पर भरोसा नहीं किया; बल्कि उन्होंने एक "सुपर-यीस्ट" उत्परिवर्ती (म्यूटेंट) बनाने के लिए एक रासायनिक उपकरण का उपयोग किया जो मूल स्ट्रेन की तुलना में बहुत अधिक पिगमेंट का उत्पादन करता है।
यात्रा गन्ने के कचरे को तैयार करने से शुरू हुई। शोधकर्ताओं ने सूखी हुई बैगस ली और इसे इसके सख्त ढांचे को ढीला करने के लिए एक हल्के क्षारीय घोल के साथ उपचारित किया, जिससे इसे तोड़ना आसान हो गया। फिर उन्होंने एक विशिष्ट एंजाइम, सेल्युलेस जोड़ा, जो आणविक कैंची की एक जोड़ी की तरह कार्य करता है, जो लंबे सेलुलोज श्रृंखलाओं को सरल ग्लूकोज और जाइलोस शर्करा में काट देता है जिसकी यीस्ट को जीवित रहने के लिए आवश्यकता होती है। विभिन्न रासायनिक सांद्रता के सावधानीपूर्वक परीक्षण के माध्यम से, उन्होंने सटीक नुस्खा पहचाना: 0.75 मोलर सोडियम हाइड्रोक्साइड के साथ उपचार और उसके बाद प्रति लीटर 20 ग्राम एंजाइम के साथ हाइड्रोलिसिस। इस संयोजन ने एक तरल प्रदान किया जो कि फर्मेंट करने योग्य शर्करा से समृद्ध था, जिसमें प्रति लीटर लगभग 27.34 ग्राम ग्लूकोज और 3.59 ग्राम जाइलोस था। यह मीठा शोरबा (ब्रॉथ) यीस्ट का नया घर बन गया, जिसने महंगे, परिष्कृत शर्करा के स्थान पर एक नवीकरणीय, कम लागत वाला विकल्प प्रदान किया।
खाद्य स्रोत तैयार होने के बाद, शोधकर्ताओं ने यीस्ट को बेहतर बनाने की ओर अपना ध्यान केंद्रित किया। वे जानते थे कि रोडोटोला म्यूसिलोजिना का प्राकृतिक स्ट्रेन सक्षम था, लेकिन वे इसकी सीमाओं को आगे बढ़ाना चाहते थे। ऐसा करने के लिए, उन्होंने यीस्ट कोशिकाओं को इथाइल मेथेनसल्फोनेट के संपर्क में रखा, जो एक रासायनिक उत्परिवर्तक (म्यूटैजन) है जो जीव के जेनेटिक कोड में छोटे, यादृच्छिक परिवर्तन लाता है। इस प्रक्रिया को यीस्ट के निर्देश मैनुअल में ताश के पत्तों को फिर से मिलाने (शफल करने) के रूप में समझें; अधिकांश शफल में कोई बदलाव नहीं होता या एक खराब हाथ मिलता है, लेकिन कभी-कभी, एक शफल एक विजेता संयोजन बना देता है। उन्होंने रासायनिक सांद्रता के विभिन्न स्तरों का परीक्षण किया, और पाया कि 4 प्रतिशत का घोल सबसे उपयुक्त था। यह अधिकांश कोशिकाओं—लगाराभग 97.6 प्रतिशत—को खत्म करने के लिए पर्याप्त मजबूत था, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि केवल सबसे मजबूत उत्तरजीवी ही बचे रहें, लेकिन इतना कोमल भी था कि कुछ व्यवहार्य कॉलोनियों को छोड़ सके जिन्होंने लाभकारी जेनेटिक परिवर्तन प्राप्त किए थे।
इन रासायनिक चुनौतियों से बचे हुए जीवों में से, शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए सात अलग-अलग कॉलोनियों का चयन किया कि किसमें सबसे अधिक सुधार हुआ है। उन्होंने प्रत्येक को एक मानक पोषक ब्रॉथ में उगाया और मापा कि उन्होंने कितना कैरोटीनॉयड उत्पादित किया। जबकि कई म्यूटेंट्स ने आशाजनक प्रदर्शन किया, एक स्ट्रेन, जिसे M7 नाम दिया गया, अपनी निरंतरता और उच्च आउटपुट के लिए अलग खड़ा हुआ। जब टीम ने इस म्यूटेंट की तुलना मूल, बिना संशोधित यीस्ट से की, तो अंतर चौंकाने वाला था। M7 म्यूटेंट ने प्रति ग्राम ड्राई यीस्ट बायोमास के लिए 33.12 माइक्रोग्राम कैरोटीनॉयड का उत्पादन किया, जो मूल स्ट्रेन (जिसने केवल 22.64 माइक्रोग्राम प्रति ग्राम का उत्पादन किया था) की तुलना में 1.46 गुना अधिक था। यह सुधार केवल कोशिकाओं के भीतर अधिक पिगमेंट होने का मामला नहीं था; म्यूटेंट ने बैगस ब्रॉथ में मौजूद शर्करा को कैरोटीनॉयड में बहुत अधिक कुशलता से परिवर्तित भी किया। प्रति ग्राम ग्लूकोज के उपभोग के लिए, म्यूटेंट ने 5.15 माइक्रोग्राम कैरोटीनॉयड दिया, जबकि मूल स्ट्रेन ने इससे आधे से भी कम मात्रा में उत्पादन किया।
म्यूटेंट का प्रदर्शन कुल उत्पादन के आयतन में भी विस्तृत था। समान समय में, M7 स्ट्रेन ने तरल प्रति लीटर 66.80 माइक्रोग्राम की कुल कैरोटीनॉयड सांद्रता उत्पन्न की, जो मूल स्ट्रेन द्वारा उत्पादित 33.51 माइक्रोग्राम से लगभग दोगुनी थी। यह उत्पादन की गति के मामले में भी दोगुना था, जिसमें म्यूटेंट ने प्रति लीटर 0.46 माइक्रोग्राम प्रति घंटा बनाया, जबकि मूल के लिए यह 0.23 था। आंकड़ों के अलावा, शोधकर्ताओं ने देखा कि म्यूटेंट गन्ने के वातावरण के प्रति बेहतर अनुकूलित था। जबकि मूल यीस्ट को नए ब्रॉथ के अनुकूल होने में छह घंटे लगे, M7 म्यूटेंट तुरंत बढ़ने लगा, जिससे पता चलता कि जेनेटिक परिवर्तनों ने इसे अधिक लचीला और काम करने के लिए तैयार बना दिया है।
अंत में, टीम ने यह परीक्षण किया कि क्या इस बढ़े हुए उत्पादन का वास्तव में अधिक शक्तिशाली एंटीऑक्सीडेंट परिणाम निकलता है। उन्होंने एक मानक परीक्षण का उपयोग किया जो मुक्त कणों (फ्री रेडिकल्स) को बेअसर करने में पदार्थ की प्रभावशीलता को मापता है, जो एंटीऑक्सीडेंट का एक प्रमुख कार्य है। M7 म्यूटेंट के अर्क ने 46.94 प्रतिशत की रेडिकल-स्कैवेंजिंग गतिविधि दिखाई, जो मूल स्ट्रेन में देखी गई 35.75 प्रतिशत से अधिक थी। हालांकि, सांख्यिकीय विश्लेषण से पता चला कि यह अंतर मूल की तुलना में निर्णायक सुधार माने जाने के लिए पर्याप्त महत्वपूर्ण नहीं था। यह सुझाव देता है कि हालांकि म्यूटेंट ने कुल मिलाकर अधिक कैरोटीनॉयड का उत्पादन किया, लेकिन इसके द्वारा बनाए गए पिगमेंट का विशिष्ट मिश्रण बदल गया होगा। यीस्ट कई प्रकार के कैरोटीनॉयड का उत्पादन करता है, जिनमें बीटा-कैरोटीन, टोरुलिन और टोरुलरोडिन शामिल हैं, जिनके एंटीऑक्सीडेंट के रूप में अलग-अलग गुण होते हैं। यह संभव है कि म्यूटेंट ने उस प्रकार का अधिक उत्पादन किया जो इस विशिष्ट परीक्षण में कम शक्तिशाली है, या कुल पिगमेंट में वृद्धि इस विशिष्ट परख (असे) में स्पष्ट सांख्यिकीय अंतर दिखाने के लिए पर्याप्त नहीं थी।
अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि कृषि अपशिष्ट को जेनेटिक सुधार के साथ जोड़ना टिकाऊ कैरोटीनॉयड उत्पादन के लिए एक व्यवहार्य मार्ग है। बैगस का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि इन सूक्ष्मजीव कारखानों को चलाने के लिए महंगी खाद्य-ग्रेड शर्करा आवश्यक नहीं है। रासायनिक उत्परिवर्तन (म्यूटोजेनेसिस) का उपयोग करके, उन्होंने दिखाया कि प्राकृतिक यीस्ट स्ट्रेन को अधिक मेहनत और दक्षता से काम करने के लिए बढ़ाया जा सकता है। हालांकि अंतिम उत्पाद की एंटीऑक्सीडेंट शक्ति को यह समझने के लिए और अधिक विस्तृत अध्ययन की आवश्यकता है कि वास्तव में कौन से पिगमेंट मौजूद हैं, लेकिन यह प्रक्रिया स्वयं एक आशाजनक ढांचा प्रदान करती है। यह एक अपशिष्ट उत्पाद को एक मूल्यवान संसाधन में बदल देती है और एक अधिक उत्पादक जीव बनाती है, जो एक ऐसे भविष्य की ओर इशारा करती है जहाँ प्राकृतिक पिगमेंट को हमारे ग्रह की खाद्य प्रणालियों पर दबाव डाले बिना सस्ते और स्थायी रूप से बनाया जा सकता है।
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