Engineering of CRISPR-BrCas12b System for Efficient Genome Editing in Thermophilic Bacteria
यह अध्ययन एक थर्मोस्टेबल (ताप-स्थिर) CRISPR-BrCas12b प्रणाली के विकास की रिपोर्ट करता है जो थर्मोफिलिक जीवाणु *Thermus antranikianii* में 45–70°C पर सटीक जीनोम संपादन करने में सक्षम है, जिससे पिछले उपकरणों की सीमाओं को दूर किया जा सकता है और इसे अगली पीढ़ी के सेल फैक्ट्री के रूप में उपयोग करने में सक्षम बनाया जा सकता है।
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सूक्ष्मजीवी जीवन की दुनिया के भीतर, एक ऐसा क्षेत्र मौजूद है जहाँ गर्मी कोई बाधा नहीं बल्कि एक घर है। ये थर्मोफाइल्स (thermophiles) हैं, ऐसे बैक्टीरिया जो गर्म झरनों और गहरे समुद्र के ज्वालामुखीय छिद्रों जैसे भीषण वातावरण में फलते-फूलते हैं, और उन तापमानों पर सबसे अच्छी तरह बढ़ते हैं जो अधिकांश अन्य जीवन रूपों को तुरंत मार सकते हैं। वैज्ञानिकों के लिए, ये गर्मी पसंद करने वाले जीव केवल जैविक कौतूहल मात्र नहीं हैं; वे भविष्य के कारखाने भी हैं। क्योंकि वे इतनी अत्यधिक गर्मी में रहते हैं, वे ऐसे एंजाइम पैदा करते हैं जो अविश्वसनीय रूप से स्थिर होते हैं और महंगे कूलिंग सिस्टम की आवश्यकता के बिना औद्योगिक प्रक्रियाओं में कुशलता से काम कर सकते हैं। हालाँकि, उन्हें विनिर्माण के लिए उपयोग करना कठिन रहा है। एक सूक्ष्मजीव को कारखाने में बदलने के लिए, वैज्ञानिकों को उसके आनुवंशिक कोड को फिर से लिखने में सक्षम होना चाहिए, जिसे जीनोम एडिटिंग (genome editing) कहा जाता है। दशकों तक, जीन संपादित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले उपकरण मानव शरीर के तापमान पर तो अच्छा काम करते थे, लेकिन इन थर्मोफाइल्स द्वारा आवश्यक गर्मी में बुरी तरह विफल रहे, जिससे जैविक क्षमता का एक विशाल भंडार अनछुआ रह गया।
सन यत-सेन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस अंतर को पाट दिया है, क्योंकि उन्होंने विशेष रूप से गर्मी में काम करने के लिए डिज़ाइन किए गए एक नए उपकरण को विकसित किया है। उन्होंने Thermus antranikianii नामक बैक्टीरिया पर ध्यान केंद्रित किया, जो एक गर्मी पसंद करने वाला सूक्ष्मजीव है और तेजी से बढ़ता है तथा इसकी आनुवंशिक संरचना सुव्यवस्थित है, जो इसे औद्योगिक उपयोग के लिए एक आदर्श उम्मीदवार बनाती है। चुनौती यह थी कि मानक जीन-संपादन उपकरण, जो Cas9 नामक आणविक मशीन पर निर्भर करते हैं, उस 60 डिग्री सेल्सियस तापमान पर कार्य नहीं कर सके जहाँ यह बैक्टीरिया पनपता है। इस समस्या को हल करने के लिए, वैज्ञानिकों ने BrCas12b नामक एक अलग आणविक मशीन की ओर रुख किया। अपने अधिक प्रसिद्ध संबंधी के विपरीत, BrCas12b स्वाभाविक रूप से उच्च तापमान पर स्थिर रहता है। शोधकर्ताओं ने इस प्रोटीन को लिया और इसे Thermus ananikianii के भीतर काम करने के लिए अनुकूलित किया, जिससे एक ऐसी प्रणाली बनाई जा सकी जो बैक्टीरिया के गर्म वातावरण के भीतर डीएनए को सटीक रूप से काट और संपादित कर सकती है।
उनकी उपलब्धि का मूल आधार यह है कि यह नई प्रणाली कैसे संचालित होती है। शोधकर्ताओं ने एक संक्षिप्त आनुवंशिक उपकरण बनाया है जो आणविक कैंची की एक जोड़ी की तरह कार्य करता है। इस उपकरण में BrCas12b प्रोटीन शामिल है, जो कटाई करता है, और एक गाइड आरएनए (guide RNA), जो एक जीपीएस की तरह कार्य करता है ताकि कैंची को डीएनए के उस सटीक स्थान तक ले जाया जा सके जिसे संपादित करने की आवश्यकता है। टीम ने तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला में इस प्रणाली का परीक्षण किया और पाया कि यह 45 से 70 डिग्री सेल्सियस के बीच उच्च सटीकता के साथ काम करती है, जो बैक्टीरिया की वृद्धि की स्थितियों से पूरी तरह मेल खाती है। उन्होंने पाया कि यह प्रणाली 65 डिग्री सेल्सियस पर सबसे अधिक कुशल है। इसके अलावा, उन्होंने मानचित्रित किया कि यह उपकरण कहाँ काट सकता है। यह डीएनए अनुक्रम में एक विशिष्ट तीन-अक्षर वाले कोड को खोजता है ताकि यह जान सके कि कहाँ से शुरू करना है, और उन्होंने पाया कि यह एक TTN पैटर्न को पहचानता है, जिसमें TTT और TTC अनुक्रमों के प्रति प्रबल प्राथमिकता है। यह प्रणाली को पूरे बैक्टीरिया के संपूर्ण जीनोम में संपादन योग्य साइटों की एक विस्तृत श्रृंखला तक पहुँच प्रदान करता है, जिससे वैज्ञानिकों को आनुवंशिक संशोधन के लिए विकल्पों का एक विशाल संग्रह मिलता है।
यह सिद्ध करने के लिए कि प्रणाली ने काम किया, शोधकर्ताओं ने पहले इसके जीन को बंद करने की क्षमता का परीक्षण किया। उन्होंने इस उपकरण को बैक्टीरिया के साथ एक जीन पेश किया जो β-galactosidase नामक एंजाइम का उत्पादन करता है। जब एडिटिंग टूल को चालू किया गया, तो इसने सफलतापूर्वक जीन को काट दिया, और बैक्टीरिया ने एंजाइम की गतिविधि में महत्वपूर्ण गिरावट दिखाई, जो यह दर्शाता है कि प्रणाली विशिष्ट जीन को निष्क्रिय करने में प्रभावी थी, जो यह समझने के लिए एक महत्वपूर्ण कदम है कि बैक्टीरिया कैसे कार्य करते हैं। इसके बाद, उन्होंने नए आनुवंशिक पदार्थ को डालने की उपकरण की क्षमता का परीक्षण किया। उनका लक्ष्य बैक्टीरिया के जीनोम में एक विशिष्ट स्थान पर डीएनए का एक नया टुकड़ा डालना था। प्रणाली ने लक्षित स्थल पर सफलतापूर्वक कट लगाया, और बैक्टीरिया के अपने मरम्मत तंत्र ने नए डीएनए को ठीक उसी स्थान पर सिल दिया जहाँ उसे होना चाहिए था। इसने पुष्टि की कि यह उपकरण न केवल जीन को तोड़ सकता है बल्कि जीनोम में नए निर्देश भी जोड़ सकता है, जो जटिल जैविक सर्किट बनाने के लिए एक आवश्यक क्षमता है।
इस कार्य का महत्व केवल एक अकेले बैक्टीरिया तक सीमित नहीं है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि उनका उपकरण बहुमुखी है और संभवतः अन्य गर्मी पसंद करने वाले बैक्टीरिया में भी उपयोग किया जा सकता है, बशर्ते वे समान तापमान सीमा के भीतर बढ़ते हों। Thermus ananikianii के जीन को संपादित करने का एक विश्वसनीय तरीका प्रदान करके, उन्होंने एक प्रमुख बाधा को दूर कर दिया है जिसने अनुसंधान और उद्योग में इस जीव के उपयोग को रोक रखा था। यह नई क्षमता इन सूक्ष्मजीवों को मूल्यवान थर्मोस्टेबल एंजाइमों का उत्पादन करने के लिए इंजीनियर करने या गर्म स्थितियों में कुशलता से काम करने वाले मजबूत सेल फैक्ट्रियों के रूप में कार्य करने के लिए द्वार खोलती है। इस थर्मोस्टेबल एडिटिंग प्लेटफॉर्म का विकास सिंथेटिक बायोलॉजी में एक व्यावहारिक प्रगति का प्रतिनिधित्व करता है, जो एक कठिन प्रबंधन वाले सूक्ष्मजीव को हरित विनिर्माण के लिए एक प्रबंधनीय और शक्तिशाली उपकरण में बदल देता है।
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