Effect of glucose and gentamicin on regulation of swarming motility and biofilm formation of Pseudomonas aeruginosa HRW.1-S3

बैक्टीरिया को अक्सर एकाकी हमलावरों के रूप में कल्पित किया जाता है, लेकिन उनमें से कई सबसे खतरनाक बैक्टीरिया संगठित समुदायों के रूप में रहते हैं। उनमें से एक, Pseudomonas aeruginosa अनुकूलन का उस्ताद है। यह सूक्ष्मजीव अस्पतालों में विशेष रूप से जिद्दी संक्रमणों का एक सामान्य कारण है, क्योंकि यह दो बहुत अलग जीवन शैलियों के बीच स्विच कर सकता है। एक मोड में, यह एक समन्वित समूह में सतहों पर तेजी से चलता है, जिसे वैज्ञानिक 'स्वार्मिंग' (swarming) कहते हैं। दूसरे मोड में, यह बस जम जाता है और एक किले जैसी संरचना बनाता है जिसे बायोफिल्म (biofilm) कहा जाता है, जो खुद को एक चिपचिपे, स्व-निर्मित स्लाइम (slime) में लपेट लेती है जो इसे एंटीबायोटिक्स और प्रतिरक्षा प्रणाली से सुरक्षित रखती है। इन दोनों अवस्थाओं के बीच स्विच करने की क्षमता इसकी उत्तरजीविता की कुंजी है। हालांकि, वातावरण इस निर्णय में एक बड़ी भूमिका निभाता है। भोजन की उपलब्धता और एंटीबायोटिक्स की उपस्थिति जैसे कारक बैक्टीरिया को एक जीवन शैली से दूसरी की ओर धकेल सकते हैं। इन बाहरी संकेतों से यह बिल्कुल कैसे पता चलता है कि इतना नाटकीय परिवर्तन होता है, इसे समझना इन निरंतर संक्रमणों को रोकने के तरीके को जानने के लिए महत्वपूर्ण है।

भारतीय विज्ञान शिक्षा और अनुसंधान संस्थान, कोलकाता के शोधकर्ताओं ने Pseudomonas aeruginosa के एक विशिष्ट स्ट्रेन में इस निर्णय लेने की प्रक्रिया का मानचित्रण करने का प्रयास किया। उन्होंने दो पर्यावरणीय ट्रिगर्स पर ध्यान केंद्रित किया: ग्लूकोज, एक सरल शर्करा जो भोजन के रूप में कार्य करती है, और जेंटामाइसिन (gentamicin), एक सामान्य एंटीबायोटिक। वे यह देखना चाहते थे कि इन पदार्थों की विभिन्न मात्राएँ बैक्टीरिया को स्वार्म करने या बायोफिल्म बनाने के लिए कैसे प्रभावित करती हैं। टीम ने विभिन्न स्तरों के ग्लूकोज वाले विशेष अगर प्लेट्स पर बैक्टीरिया को उगाया, जिसमें ग्लूकोज की सांद्रता कम से उच्च तक थी। इसके बाद उन्होंने यह देखने के लिए जेंटामाइसिन की सूक्ष्म, गैर-घातक मात्रा डाली कि बैक्टीरिया इस तनाव के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करते हैं। कई दिनों तक कॉलोनियों का अवलोकन करके, वे प्रत्येक स्थिति के तहत बैक्टीरिया के प्रसार और उनके द्वारा उत्पादित बायोफिल्म की मात्रा को माप सके।

परिणामों ने भोजन, दवा और बैक्टीरिया के व्यवहार के बीच एक जटिल और आश्चर्यजनक संबंध का खुलासा किया। जब बैक्टीरिया के पास ग्लूकोज की मध्यम मात्रा उपलब्ध थी, तो वे उत्साहपूर्वक स्वार्म (swarm) कर रहे थे, प्लेट पर पतली, उंगली जैसी संरचनाओं में फैल रहे थे। हालांकि, जब ग्लूकोज की सांद्रता को दोगुना कर दिया गया, तो यह गति पूरी तरह से रुक गई। बैक्टीरिया अव्यवस्थित और बिखरे हुए हो गए, और अपनी गति के समन्वय में असमर्थ रहे। इससे पता चला कि बहुत अधिक भोजन वास्तव में उनकी स्वार्म करने की क्षमता को पंगु बना देता है। एंटीबायोटिक जेंटामाइसिन के समावेश ने जटिलता की एक और परत जोड़ दी। जेंटामाइसिन की बहुत कम खुराक पर, एंटीबायोटिक ने बैक्टीरिया को जगा दिया; उच्च-ग्लूकोज वाले वातावरण में भी, जहाँ वे पहले रुक गए थे, जेंटामाइसिक की कम खुराक ने उनकी स्वार्म करने की क्षमता को बहाल कर दिया। ऐसा लग रहा था जैसे एक हल्का तनाव संकेत उन्हें फिर से चलने के लिए कह रहा हो। लेकिन जब जेंटामाइसिन की खुराक बढ़ाई गई, तो गति एक बार फिर रुक गई, और बैक्टीरिया एक-दूसरे के ऊपर जमा होने लगे।

गति से जमा होने की ओर यह बदलाव बायोफिल्म में संक्रमण की शुरुआत का संकेत था। शोधकर्ताओं ने देखा कि जैसे-जैसे ग्लूकोज और एंटीबायोटिक का स्तर बढ़ता गया, बैक्टीरिया ने यात्रा करने की कोशिश छोड़ दी और एक मोटी, सुरक्षात्मक संरचना बनाने लगी। उन्होंने अधिक चिपचिपे स्लाइम का उत्पादन किया, जिसे एक्स्ट्रासेलुलर पॉलीमेरिक सब्सटेंस (extracellular polymeric substances) कहा जाता है, जो उनके बायोफिल्म किले के गारे (mortar) के रूप में कार्य करता है। सूक्ष्मदर्शी छवियों ने दिखाया कि जिन स्थितियों में स्वार्मिंग विफल रही, वहां कोशिकाएं अब सीधी रेखाओं में व्यवस्थित नहीं थीं बल्कि घने, अराजक समूहों में जमी हुई थीं। बैक्टीरिया को जितना अधिक ग्लूकोज और एंटीबायोटिक का सामना करना पड़ा, बायोफिल्म की संरचना उतनी ही अधिक मोटी और जटिल होती गई। बैक्टीरिया अनिवार्य रूप से सुरक्षा के लिए गतिशीलता का त्याग कर रहे थे, कठोर वातावरण के खिलाफ एक ढाल का निर्माण कर रहे थे।

इस स्विच के पीछे की मशीनरी को समझने के लिए, टीम ने उन जीनों को देखा जिनका बैक्टीरिया उपयोग कर रहा था। उन्होंने पाया कि जो जीन बैक्टीरिया को चलाने के लिए जिम्मेदार थे, वे सक्रिय थे जब बैक्टीरिया स्वार्म कर रहे थे, लेकिन जब बैक्टीरिया बायोफिल्म में बस गए, तो ये जीन कम सक्रिय हो गए। इसके विपरीत, जनसंख्या को महसूस करने और बायोफिल्म संरचना बनाने में शामिल जीन, जब बैक्टीरिया ने चलना बंद कर दिया, तब बढ़ गए। इस प्रक्रिया में एक प्रमुख खिलाड़ी lasI नामक जीन प्रतीत हुआ, जो बैक्टीरिया को एक-दूसरे के साथ संवाद करने में मदद करता है। जब शोधकर्ताओं ने इस जीन को हटाकर बैक्टीरिया का एक संस्करण बनाया, तो परिणाम स्पष्ट थे। lasI के बिना, बैक्टीरिया भोजन या एंटीबायोटिक के स्तर की परवाह किए बिना बिल्कुल भी स्वार्म नहीं कर सके। वे एंटीबायोटिक के संपर्क में आने पर मजबूत बायोफिल्म बनाने में भी विफल रहे। इसने पुष्टि की कि बैक्टीरिया अपने जीवन शैली के परिवर्तनों को समन्वित करने के लिए इस संचार प्रणाली पर निर्भर करते हैं।

यह अध्ययन एक ऐसे बैक्टीरिया की तस्वीर पेश करता है जो जीवित रहने का निर्णय लेने के लिए अपने पर्यावरण को लगातार पढ़ रहा है। यह दिखाता है कि एंटीबायोटिक की उपस्थिति हमेशा बैक्टीरिया को मारती नहीं है या केवल उन्हें रोकती नहीं है; इसके बजाय, यह एक संकेत के रूप में कार्य कर सकती है जो उन्हें अपनी रणनीति बदलने के लिए मजबूर करती है। तनाव का निम्न स्तर उन्हें दूर जाने के लिए प्रोत्साहित कर सकता है, जबकि उच्च स्तर, प्रचुर भोजन के साथ, उन्हें रक्षा के लिए जमने के लिए प्रेरित करता है। शोध इस बात पर प्रकाश डालता है कि बैक्टीरिया की अनुकूलन करने की क्षमता यादृच्छिक नहीं है, बल्कि उनके आंतरिक संचार तंत्र द्वारा कड़ाई से नियंत्रित है। यह समझकर कि ग्लूकोज और एंटीबायोटिक्स कैसे इन परिवर्तनों को ट्रिगर करने के लिए परस्पर क्रिया करते हैं, वैज्ञानिकों को यह स्पष्ट दृष्टिकोण मिलता है कि ये रोगजनक मानव शरीर में कैसे बने रहते हैं और उन्हें अधिक असुरक्षित अवस्था में कैसे लाया जा सकता है। निष्कर्ष बताते हैं कि इन संक्रमणों के खिलाफ लड़ाई के लिए केवल बैक्टीरिया को मारने के बजाय उन संकेतों को बाधित करने पर विचार करने की आवश्यकता है जो उन्हें बताते हैं कि कब भागना है और कब छिपना है।