Gap-free near-T2T genome assembly of Digitalis lanata enables complete enzymatic production of digoxigenin

सदियों से, डॉक्टर दिल की विफलता (हार्ट फेलियर) में दिल को मजबूती से धड़कने में मदद करने के लिए डिगॉक्सिन (digoxin) नामक एक शक्तिशाली हृदय औषधि पर भरोसा करते आए हैं। यह दवा फॉक्सग्लोव (foxglove) नामक पौधे से आती है, जो बैंगनी फूलों के ऊंचे स्पाइक्स उगाता है। हालांकि इस दवा ने अनगिनत जानें बचाई हैं, लेकिन इसे बनाना एक कठिन और धीमी प्रक्रिया है। किसानों को पौधों को उगाना पड़ता है, उनके परिपक्व होने का इंतजार करना पड़ता है, और फिर उस दवा की सूक्ष्म मात्रा को निकालने के लिए पत्तियों की कटाई करनी पड़ती है जो उनके भीतर छिपी होती है। पौधे धीरे बढ़ते हैं, और मौसम के साथ उनके द्वारा उत्पादित दवा की मात्रा बदल सकती है, जिससे इसकी आपूर्ति अविश्वसनीय हो जाती है। वैज्ञानिक लंबे समय से यह समझना चाहते थे कि फॉक्सग्लोव का पौधा इस जटिल अणु (molecule) को शून्य से कैसे बनाता है, इस उम्मीद में कि यदि वे इसके चरणों का मानचित्र बना सकें, तो वे विशाल पौधों के खेतों की आवश्यकता के बिना लैब में इस दवा का निर्माण कर सकेंगे। चुनौती यह रही है कि पौधे के आनुवंशिक निर्देश डीएनए (DNA) के एक विशाल, उलझे हुए पुस्तकालय के भीतर छिपे हुए हैं, और अंतिम दवा बनाने के विशिष्ट चरण दशकों से एक रहस्य बने हुए हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने फॉक्सग्लोव पौधे के पूर्ण, अंतराल-रहित (gap-free) आनुवंशिक कोड का मानचित्र बनाकर अंततः इस रहस्य को सुलझा लिया है। पौधे की पूरी निर्देश पुस्तिका को पढ़कर, वे उन विशिष्ट जीन (genes) की पहचान करने में सक्षम हुए जो इस दवा के निर्माण के लिए जिम्मेदार हैं। उन्होंने पाया कि पौधा एक साधारण शुरुआती सामग्री, जो सभी जीवित चीजों में पाई जाती है, को इस जटिल हृदय औषधि में बदलने के लिए एंजाइमों (enzymes) की एक श्रृंखला का उपयोग करता है, जो छोटे जैविक मशीनों की तरह होते हैं। शोधकर्ताओं ने सफलतापूर्वक इन आनुवंशिक निर्देशों को एकत्र किया और प्रयोगशाला में इनका परीक्षण किया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि वे पूरी निर्माण प्रक्रिया को शुरू से अंत तक पुन: बना सकते हैं। यह कार्य न केवल उस पहेली को सुलझाता है जिसने साठ वर्षों से वैज्ञानिकों को उलझा रखा था, बल्कि यह इस महत्वपूर्ण दवा को खेती की सीमाओं से मुक्त, एक टिकाऊ तरीके से उत्पादित करने का द्वार भी खोलता है।

यह यात्रा स्वयं पौधे, डिजिटालिस लानाटा (Digitalis lanata), यानी फॉक्सग्lov प्रजाति से शुरू हुई। शोधकर्ताओं ने सबसे पहले देखा कि दवा के घटक पौधे के भीतर कहाँ संग्रहीत होते हैं। उन्होंने पाया कि जबकि कच्चे निर्माण खंड (building blocks) हर जगह मौजूद थे, तैयार दवा के घटक मुख्य रूप से पत्तियों में केंद्रित थे। इस सुराग ने उन्हें बताया कि दवा बनाने के लिए आवश्यक आनुवंशिक मशीनरी संभवतः पत्तियों में सक्रिय थी। विशिष्ट जीन खोजने के लिए, टीम ने पौधे के संपूर्ण जीनोम (genome) को संकलित किया, जो डीएनए निर्देशों का पूरा सेट है। यह एक बहुत बड़ा कार्य था क्योंकि पौधे का डीएनए विशाल है और इसमें दोहराव वाले पैटर्न भरे हुए हैं जो इसे पढ़ना कठिन बना देते हैं। उन्नत अनुक्रमण तकनीक (sequencing technology) का उपयोग करते हुए, वे पूरे जीनोम को 28 पूर्ण गुणसूत्रों (chromosomes) में जोड़ने में सफल रहे, जिसमें कोई अंतराल नहीं छोड़ा गया। इस लगभग पूर्ण मानचित्र ने उन्हें पहली बार पौधे के आनुवंशिक परिदृश्य का स्पष्ट दृश्य प्रदान किया।

हाथ में मानचित्र लेकर, टीम ने उन विशिष्ट जीन की तलाश शुरू की जो निर्माताओं के रूप में कार्य करते हैं। वे जानते थे कि यह प्रक्रिया कोलेस्ट्रॉल से शुरू होती है, जो जानवरों और पौधों में पाया जाने वाला एक सामान्य अणु है। पौधे को कोलेस्ट्रॉल के अणु की एक लंबी पूंछ को काटकर उसे एक छोटे, अधिक प्रबंधनीय टुकड़े में बदलना होता है। शोधकर्ताओं ने दो जीन खोजे जो इस काम के लिए कैंची का काम करते हैं। फिर उन्होंने आगे के मार्ग का पता लगाया, उन अन्य जी жеनों की पहचान की जो अणु को आकार देने के लिए विशिष्ट रासायनिक समूहों को जोड़ते या हटाते हैं, जिससे वह चरण-दर-चरण नया रूप लेता है। इनमें से कुछ जीन रासायनिक चित्रकारों की तरह कार्य करते हैं, जो अणु के विशिष्ट स्थानों पर ऑक्सीजन परमाणुओं को जोड़कर उसके आकार और कार्य को बदलते हैं। टीम ने पाया कि ये जीन अक्सर गुणसूत्रों पर एक-दूसरे के करीब स्थित होते हैं, जो यह सुझाव देता है कि वे एक टीम के रूप में काम करने के लिए विकसित हुए हैं।

सबसे बड़े रहस्यों में से एक यह था कि पौधा अणु के एक कठिन स्थान पर एक विशिष्ट ऑक्सीजन समूह को कैसे जोड़ता है। वर्षों तक, वैज्ञानिक उस एंजाइम को खोजने में असमर्थ रहे जो इस चरण के लिए जिम्मेदार था। शोधकर्ताओं ने नए जीनोम मानचित्र का उपयोग करके एक ऐसे संभावित जीन को खोजा जो पत्तियों में सक्रिय था और अन्य ज्ञात जी жеनों के साथ मिलकर काम करता था। उन्होंने प्रयोगशाला में इस जीन का परीक्षण किया और पुष्टि की कि यह वास्तव में वह लुप्त कड़ी था, एक विशेष मशीन जो सही स्थिति में ऑक्सीजन परमाणु जोड़ती है। हालाँकि, जब उन्होंने इस मशीन का उपयोग प्रक्रिया के अंतिम चरण पर करने की कोशिश की, तो इसने काम करने से इनकार कर दिया। मशीन को अणु के शुरुआती, सरल संस्करणों पर काम करने के लिए डिज़ाइन किया गया था, लेकिन वह अंतिम जटिल आकार को संभालने में सक्षम नहीं थी।

इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक शक्तिशाली इमेजिंग तकनीक का उपयोग करके मशीन की भौतिक संरचना को देखा जो परमाणु स्तर पर प्रोटीन के आकार को प्रकट करती है। उन्होंने देखा कि मशीन में एक तंग पॉकेट (pocket) थी जहाँ अणु फिट होता है, और दवा का अंतिम जटिल आकार इसके अंदर फिट होने के लिए बहुत बड़ा था। मशीन के ब्लूप्रिंट को देखकर, उन्होंने संरचना के एक अकेले हिस्से की पहचान की जो प्रवेश द्वार को अवरुद्ध कर रहा था। फिर उन्होंने जीन में एक छोटा सा बदलाव किया, प्रोटीन के एक निर्माण खंड को दूसरे से बदलकर पॉकेट को चौड़ा कर दिया। इस साधारण समायोजन ने मशीन को अंतिम जटिल अणु को स्वीकार करने की अनुमति दी। इस इंजीनियर किए गए संस्करण के साथ, टीम ने टेस्ट ट्यूब में सरल शुरुआती सामग्री को पूरी तरह से अंतिम दवा घटक में बदलने वाली पूरी श्रृंखला की प्रतिक्रियाओं को सफलतापूर्वक पूरा किया।

परिणामस्वरूप, हृदय औषधि के अग्रदूत (precursor) को शून्य से बनाने की एक पूर्ण, चरण-दर-चरण विधि प्राप्त हुई है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि प्राकृतिक एंजाइमों को अपने नए इंजीनियर किए गए संस्करण के साथ मिलाकर, वे फॉक्सग्लोव पौधे को छुए बिना ही दवा का उत्पादन कर सकते हैं। यह उपलब्धि पुष्टि करती है कि पौधा अपनी औषधि बनाने के लिए किस पूर्ण पथ का अनुसरण करता है और इसे निर्मित करने का एक नया, विश्वसनीय तरीका प्रदान करती है। पौधों के उगने का इंतजार करने के बजाय, वैज्ञानिक अब इन जैविक मशीनों का उपयोग नियंत्रित वातावरण में दवा बनाने के लिए कर सकते हैं। यह सफलता जीवन रक्षक दवा की निरंतर आपूर्ति सुनिश्चित करती है और यह प्रदर्शित करती है कि कैसे प्रकृति के आनुवंशिक कोड को समझना मानव स्वास्थ्य के लिए टिकाऊ समाधान की ओर ले जा सकता है।