Functional characterization and substrate interactions of spore coat protein A laccase from Bacillus velezensis ST15 for broad-spectrum mycotoxin transformation
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि *Bacillus velezensis* ST15 से प्राप्त एक रिकॉम्बिनेंट CotA लैकेज़ (laccase), अनुकूलित परिस्थितियों में, नवीन सबस्ट्रेट अल्टरनेरियोल मोनोमिथाइल ईथर (alternariol monomethyl ether) सहित कई मायकोटॉक्सिन्स को कम विषाक्त डेरिवेटिव्स में प्रभावी ढंग से परिवर्तित करता है, जो खाद्य और चारे के मैट्रिक्स को विषमुक्त करने के लिए एक बहुमुखी बायोकैटालिस्ट के रूप में इसकी क्षमता को उजागर करता है।
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कृषि की दुनिया में फफूंद (मोल्ड) एक निरंतर साथी है, जो खेत से लेकर भंडारण के डिब्बे तक फसलों पर उगती रहती है। जहाँ कुछ फफूंद हानिरहित होती हैं, वहीं अन्य 'मायकोटॉक्सिन' नामक अदृश्य रासायनिक जहर पैदा करती हैं। ये पदार्थ खाना पकाने और प्रसंस्करण के दौरान भी जीवित रह सकते हैं, जिससे वे हमारे द्वारा खाए जाने वाले भोजन और पशुओं को दिए जाने वाले चारे में बने रहते हैं। इनमें सबसे खतरनाक एफ्लाटॉक्सिन (aflatoxin) जैसे टॉक्सिन्स हैं, जो लिवर को नुकसान पहुँचा सकते हैं, और ज़ेरालेनोन (zearalenone) है, जो शरीर के हार्मोनल संतुलन को बिगाड़ देता है। क्योंकि ये जहर इतने स्थिर होते हैं, इसलिए इन्हें हटाना कठिन होता है। पारंपरिक तरीके अक्सर कठोर रसायनों या उच्च ताप पर निर्भर करते हैं, जो भोजन की गुणवत्ता को खराब कर सकते हैं या पीछे अवांछित अवशेष छोड़ सकते हैं। वैज्ञानिकों ने लंबे समय से एक सौम्य समाधान की तलाश की है, इस उम्मीद में कि उन्हें एक ऐसा जैविक उपकरण मिल सके जो इन टॉक्सिन्स को सुरक्षित रूप से तोड़ सके, ठीक वैसे ही जैसे एक विशेष चाबी किसी तंत्र को निष्क्रिय करने के लिए ताले में फिट बैठती है।
इस खोज में, शोधकर्ताओं ने चीन के एक पारंपरिक किण्वित (फरमेंटेड) खाद्य पदार्थ में पाए जाने वाले एक विशिष्ट बैक्टीरिया की ओर ध्यान आकर्षित किया। उन्होंने बैसिलस वेलेज़ेंसिस (Bacillus velezensis) ST15 नामक एक स्ट्रेन को अलग किया, जिसमें टेस्ट ट्यूब में कुछ विशिष्ट टॉक्सिन्स के स्तर को कम करने की प्राकृतिक क्षमता दिखाई दी। यह समझने के लिए कि यह कैसे काम करता है, टीम ने बैक्टीरिया के जेनेटिक कोड के भीतर देखा और 'कोटए लैकेज़' (CotA laccase) नामक एंजाइम बनाने के लिए जिम्मेदार एक विशिष्ट जीन की पहचान की। यह एंजाइम एक आणविक मशीन के रूप में कार्य करता है जो रासायनिक यौगिकों की संरचना को बदलने में सक्षम है। शोधकर्ताओं ने इस एंजाइम के निर्देशों को लिया, उन्हें एक अलग, अच्छी तरह से समझे गए बैक्टीरिया में कॉपी किया, और शुद्ध प्रोटीन की एक बड़ी आपूर्ति तैयार की। उन्होंने इस शुद्ध किए गए संस्करण को rCotA नाम दिया।
टीम ने इस एंजाइम का परीक्षण चार अलग-अलग मायकोटॉक्सिन्स के समूह के विरुद्ध किया: ज़ेरालेनोन, एफ्लाटॉक्सिन B1, अल्टरनेरियोल (alternariol), और अल्टरनेरियोल मोनोमिथाइल ईथर (alternariol monomethyl ether)। ये टॉक्सिन्स रासायनिक आकृतियों और उत्पत्ति में बहुत भिन्न हैं, जो खाद्य पदार्थों में पाए जाने वाले खतरों के एक विस्तृत स्पेक्ट्रम का प्रतिनिधित्व करते हैं। जब शोधकर्ताओं ने शुद्ध एंजाइम को इन जहरों के साथ मिलाया, तो उन्होंने एक नाटकीय परिवर्तन देखा। एंजाइम ने बिना किसी अतिरिक्त रासायनिक सहायक के इन चारों टॉक्सिन्स को सफलतापूर्वक तोड़ दिया, जो एक ऐसी उपलब्धि है जिसे अन्य कई एंजाइम हासिल करने के लिए संघर्ष करते हैं। यह प्रक्रिया तब सबसे अच्छी तरह काम करती थी जब मिश्रण को 60 और 70 डिग्री सेल्सियस के बीच गर्म तापमान और थोड़े क्षारीय वातावरण में रखा जाता था, जो औद्योगिक सेटिंग में बनाए रखने के लिए अपेक्षाकृत आसान स्थितियाँ हैं।
जैसे-जैसे एंजाइम ने अपना काम किया, उसने केवल टॉक्सिन्स को नष्ट ही नहीं किया; बल्कि उसने उन्हें नए, सरल अणुओं में बदल दिया। उन्नत मास स्पेक्ट्रोमेट्री (mass spectrometry) का उपयोग करते हुए, जो अणुओं के वजन को मापकर उनकी पहचान करता है, शोधकर्ताओं ने परिवर्तनों को ट्रैक किया। उन्होंने पाया कि मूल जहरों को हाइड्रॉक्सिलेटेड (hydroxylated) संस्करणों में बदल दिया गया था, जिसका अर्थ है कि एंजाइम ने टॉक्सिन संरचनाओं में ऑक्सीजन और हाइड्रोजन समूहों को जोड़ा। उदाहरण के लिए, ज़ेरालेनोन एक ऐसे रूप में बदल गया जिसमें एक अतिरिक्त हाइड्रॉक्सिल समूह जुड़ा था, और एफ्लाटॉक्सिन B1 एक डेरिवेटिव में बदल गया जिसे एफ्लाटॉक्सिन Q1 के रूप में जाना जाता है। समान एंजाइमों पर पिछले अध्ययन सुझाव देते हैं कि ये नए रूप मूल पदार्थों की तुलना में काफी कम जहरीले होते हैं, और कोशिकाओं को नुकसान पहुँचाने या हार्मोन को बाधित करने की अपनी क्षमता खो देते हैं। यह रूपांतरण बताता है कि एंजाइम एक डिटॉक्सिफायर (विषहरण करने वाला) के रूप में कार्य करता है, जो खतरनाक यौगिकों को सुरक्षित यौगिकों में बदल देता है।
यह समझने के लिए कि एंजाइम ने इतने विभिन्न टॉक्सिन्स को कैसे पकड़ा, शोधकर्ताओं ने इंटरैक्शन को मॉडल करने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। उन्होंने एंजाइम के 'एक्टिव साइट' (वह पॉकेट जहाँ रासायनिक प्रतिक्रिया होती है) का एक डिजिटल प्रतिनिधित्व बनाया, और चार टॉक्सिन्स के मॉडल को उसके अंदर रखा। सिमुलेशन ने दिखाया कि वह पॉकेट चारों आकृतियों को समायोजित करने के लिए पर्याप्त लचीली थी। टॉक्सिन्स ने कमजोर रासायनिक आकर्षणों, जैसे कि हाइड्रोजन बॉन्ड और हाइड्रोफोबिक संपर्कों के संयोजन के माध्यम से पकड़ बनाए रखी, जो वे बल हैं जो अणुओं को स्थायी बंधन बनाए बिना एक साथ चिपके रहने की अनुमति देते हैं। यह संरचनात्मक लचीलापन समझाता है कि क्यों एक एकल एंजाइम इतने विविध समूह के जहरों को संभाल सकता है, जो कि जैविक उत्प्रेरकों (catalysts) के बीच एक दुर्लभ गुण है।
शोधकर्ताओं ने एक अधिक वास्तविक सेटिंग में भी एंजाइम का परीक्षण किया, जिसमें वास्तविक पादप सामग्रियां शामिल थीं जो स्वाभाविक रूप से इन टॉक्सिन्स से दूषित हो गई थीं। उन्होंने शहतूत के फल और ज़िज़िफस (ziziphus) बीजों के नमूनों, जो भोजन और औषधि में सामान्य हैं, का उपचार एंजाइम के साथ किया। इन जटिल मिश्रणों में भी, जहाँ अन्य पादप रसायन मौजूद हैं, एंजाइम ने टॉक्सिन्स के स्तर को सफलतापूर्वक कम किया। यह परिणाम महत्वपूर्ण है क्योंकि यह दिखाता है कि एंजाइम एक स्वच्छ प्रयोगशाला वातावरण के बाहर भी कार्य कर सकता है, जो यह सुझाव देता है कि यह वास्तविक दुनिया के खाद्य उत्पादों के उपचार के लिए उपयोगी हो सकता है।
हालाँकि यह अध्ययन पुष्टि करता है कि यह एंजाइम इन विशिष्ट टॉक्सिन्स को तोड़ सकता है और एक सुरक्षित परिणाम की ओर संकेत करता है, शोधकर्ता यह भी नोट करते हैं कि नए टूटे हुए उत्पादों की सुरक्षा का जीवित जीवों पर पूरी तरह से परीक्षण नहीं किया गया है। यह कार्य इस बात का पुख्ता प्रमाण प्रदान करता है कि यह बैक्टीरिया एंजाइम खाद्य आपूर्ति को साफ करने के लिए एक बहुमुखी उम्मीदवार है। एक एकल जैविक उपकरण की पहचान करके जो व्यावहारिक परिस्थितियों में कई खतरों को लक्षित कर सकता है, यह अध्ययन सुरक्षित खाद्य प्रणालियों की ओर एक आशाजनक कदम प्रस्तुत करता है, जो कठोर रासायनिक उपचारों से हटकर सटीक, प्राकृतिक समाधानों की ओर बढ़ता है।
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