Voltage-Dependent Dielectrophoretic Response of Bacterial Cells: Implications for Reliable Cell Manipulation
यह अध्ययन प्रकट करता है कि जबकि उच्च-वोल्टेज डाइइलेक्ट्रोफोरेटिक एक्सपोज़र बैक्टीरिया की संवर्धनीयता (culturability) को महत्वपूर्ण रूप से कम नहीं करता है, यह उपघातपूर्ण (sublethal) झिल्ली व्यवधान उत्पन्न करता है जो कोशिकीय डाइइलेक्ट्रिक प्रतिक्रियाओं को बदल देता है, जो विश्वसनीय DEP-आधारित बैक्टीरिया डिटेक्शन सुनिश्चित करने के लिए अनुकूलित वोल्टेज चयन की महत्वपूर्ण आवश्यकता को रेखांकित करता है।
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नदियों, झीलों और भूजल के शांत कोनों में, बैक्टीरिया के अदृश्य समुदाय बने रह सकते हैं, जो कभी-कभी मानव स्वास्थ्य और पर्यावरणीय गुणवत्ता के लिए जोखिम पैदा करते हैं। इन सूक्ष्म आक्रमणकारियों का तेजी से पता लगाना वैज्ञानिकों और सार्वजनिक स्वास्थ्य अधिकारियों के लिए एक महत्वपूर्ण चुनौती है। पारंपरिक तरीके प्रयोगशाला में बैक्टीरिया को उगाने पर निर्भर करते हैं, जो एक ऐसी प्रक्रिया है जो विश्वसनीय तो है लेकिन बहुत धीमी है, परिणाम देने में अक्सर कई दिन लग जाते हैं। चीजों को तेज करने के लिए, शोधकर्ताओं ने 'डाइइलेक्ट्रोफोरेसिस' (dielectrophoresis) नामक तकनीक की ओर रुख किया है। इस विधि के लिए कोशिकाओं को रंगने या लेबल करने की आवश्यकता नहीं होती है; इसके बजाय, यह बैक्टीरिया को उनके प्राकृतिक विद्युत गुणों के आधार पर धकेलने या खींचने के लिए एक गैर-समान विद्युत क्षेत्र का उपयोग करती है। इसे सूक्ष्म कणों को इस आधार पर छांटने के तरीके के रूप में समझें कि वे बिजली के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करते हैं, जिससे वैज्ञानिक उन्हें लगभग तुरंत पहचान और गिन सकते हैं। इस तकनीक के लिए एक तीव्र डिटेक्टर के रूप में काम करने हेतु, बैक्टीरिया का व्यवहार अनुमानित होना चाहिए। यदि वे स्थितियाँ जिनका उपयोग उन्हें चलाने के लिए किया जाता है, उन्हें बदल देती हैं, तो माप अविश्वसनीय हो जाता है।
मलेशिया के नेशनल यूनिवर्सिटी ऑफ मलेशिया की एक टीम ने इस विद्युत छंटनी पद्धति की सीमाओं का परीक्षण करने का निर्णय लिया। उन्होंने दो सामान्य प्रकार के बैक्टीरिया पर ध्यान केंद्रित किया: एस्चेरिचिया कोली (Escherichia coli), जो आंत में पाया जाता है और अक्सर संदूषण का संकेत देता है, और स्टैफिलोकोकस ऑरियस (Staphylococcus aureus), एक बैक्टीरिया जो संक्रमण का कारण बन सकता है। वैज्ञानिक यह जानना चाहते थे कि बैक्टीरिया को हिलाने के लिए लगाया गया वोल्टेज सुरक्षित था या नहीं। अपने प्रयोगों में, उन्होंने बैक्टीरिया को एक तरल में रखा और उन्हें एक विशिष्ट आवृत्ति पर विद्युत क्षेत्र के संपर्क में लाया। उन्हें उम्मीद थी कि कोशिकाएं इलेक्ट्रोडों से दूर हट जाएंगी, जिसे 'नेगेटिव डाइइलेक्ट्रोफोरेसिस' कहा जाता है। हालांकि, जैसे ही उन्होंने वोल्टेज बढ़ाया, कुछ अप्रत्याशित हुआ। उच्च सेटिंग्स पर, विशेष रूप से 20 वोल्ट पर, कई बैक्टीरिया दूर हटना बंद कर दिए और इलेक्ट्रोडों की ओर बढ़ने लगे, जिसे 'पॉजिटिव डाइइलेक्ट्रोफोरेसिस' कहा जाता है। इस व्यवहार में अचानक आए बदलाव ने एक गंभीर प्रश्न खड़ा कर दिया: क्या बिजली केवल कोशिकाओं को हिला रही थी, या वह उन्हें नुकसान पहुँचा रही थी?
शोधकर्ताओं ने पहले एक सीधा स्पष्टीकरण पर विचार किया: शायद उच्च वोल्टेज बैक्टीरिया को मार रहा था। मृत कोशिकाओं के विद्युत गुण जीवित कोशिकाओं से भिन्न होते हैं, जो इस बदलाव की व्याख्या कर सकता है। इसका परीक्षण करने के लिए, उन्होंने विद्युत जोखिम के बाद बैक्टीरिया को एकत्र किया और उन्हें पोषक प्लेटों पर उगाने का प्रयास किया, जो जीवित कोशिकाओं को गिनने का एक मानक तरीका है। परिणाम स्पष्ट थे। उच्चतम वोल्टेज के संपर्क में आने के बाद भी, जीवित रहने और बढ़ने में सक्षम बैक्टीरिया की संख्या बिना उपचार वाले नमूनों के सांख्यिकीय रूप से समान रही। कोशिकाएं मृत नहीं थीं। इस निष्कर्ष ने इस विचार को खारिज कर दिया कि अजीबोगरीब हलचल कोशिका मृत्यु के कारण हुई थी।
चूंकि बैक्टीरिया अभी भी जीवित थे, इसलिए टीम ने यह देखने के लिए गहराई से जांच की कि वास्तव में उनके अंदर क्या हो रहा था। उन्होंने एक विशेष स्टेनिंग विधि का उपयोग किया जो स्वस्थ कोशिकाओं के लिए हरा और क्षतिग्रस्त बाहरी दीवारों वाली कोशिकाओं के लिए लाल रंग बिखेरती है। परिणामों ने एक अलग कहानी दिखाई। हालांकि बैक्टीरिया जीवित थे, लेकिन उनकी बाहरी झिल्लियाँ (membranes) संघर्ष कर रही थीं। उच्चतम वोल्टेज पर, लगभग दो-तिहाई ई. कोली कोशिकाओं में झिल्ली क्षति के लक्षण दिखे, और स्टैफिलोकोकस ऑरियस का एक महत्वपूर्ण हिस्सा भी प्रभावित हुआ। बैक्टीरिया मृत नहीं थे, लेकिन वे इस तरह से घायल थे कि इससे उनका जीवन तुरंत नहीं रुका। इस क्षति की भौतिक सीमा को देखने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक शक्तिशाली इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी के नीचे बैक्टीरिया का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि कोशिका भित्तियाँ काफी सूज गई थीं और मोटी हो गई थीं। ई. कोली के लिए, झिल्ली की मोटाई कम वोल्टेज पर लगभग 12 नैनोमीटर से बढ़कर उच्चतम वोल्टेज पर काफी अधिक हो गई। स्टैफिलोकोकस ऑरियस में भी मोटाई देखी गई, हालांकि यह ई. कोली की तुलना में परिवर्तन के प्रति अधिक प्रतिरोधी था।
ये संरचनात्मक परिवर्तन रहस्य का उत्तर प्रदान करते हैं। उच्च वोल्टेज ने बैक्टीरिया को मारा नहीं, बल्कि इसने एक 'सबलीथल' (sublethal) चोट पहुंचाई जिसने उनकी भौतिक संरचना को बदल दिया। इस सूजन और क्षति ने बदला कि कोशिकाएं विद्युत क्षेत्र के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती हैं, जिससे वे इलेक्ट्रोडों से दूर जाने के बजाय उनकी ओर बढ़ने लगीं। यह अध्ययन इस तकनीक का उपयोग करने वाले किसी भी व्यक्ति के लिए एक महत्वपूर्ण सबक देता है: बैक्टीरिया को मापने के लिए उपयोग की जाने वाली सेटिंग्स अनजाने में बैक्टीरिया को ही बदल सकती हैं। यदि वोल्टेज बहुत अधिक है, तो माप अब जीव की प्राकृतिक स्थिति को नहीं दर्शाता है। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि 5 वोल्ट का निम्न वोल्टेज सबसे अच्छा संतुलन प्रदान करता है। इस स्तर पर, बैक्टीरिया को ट्रैक करने के लिए पर्याप्त रूप से चलते हैं, लेकिन विद्युत क्षेत्र इतना मजबूत नहीं है कि झिल्ली को नुकसान पहुंचा सके जिससे परिणाम गलत हो जाएं। इस 'स्वीट स्पॉट' को खोजकर, टीम ने यह सुनिश्चित करने में मदद की है कि इस तकनीक का उपयोग करने वाले भविष्य के उपकरण उन कोशिकाओं को बदले बिना तेजी से और विश्वसनीय रूप से बैक्टीरिया का पता लगा सकें जिन्हें वे गिनने की कोशिश कर रहे हैं।
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