Acute lethality and stress-responsive phenotypes differ among three Acinetobacter baumannii strains: phenotypic, genomic and transcriptomic analyses

संक्रामक रोगों की दुनिया में, एक ही प्रजाति के सभी बैक्टीरिया समान नहीं होते हैं। कल्पना कीजिए कि लोगों की एक भीड़ है जो सभी एक ही उपनाम साझा करते हैं; जबकि वे दूर से समान दिख सकते हैं, उनके व्यक्तित्व, ताकत और कमजोरियां बहुत अलग हो सकती हैं। यह एसीनेटोबैक्टर बाउमानी (Acinetobacter baumannii) के लिए भी सच है, जो एक ऐसा बैक्टीरिया है जो दुनिया भर के अस्पतालों में एक बड़ी चिंता का विषय बन गया है। यह एक अवसरवादी रोगजनक (opportunistic pathogen) है, जिसका अर्थ है कि यह हमला करने के अवसर का इंतजार करता है, अक्सर उन मरीजों पर हमला करता है जो पहले से ही कमजोर होते हैं, जैसे कि वे जो वेंटिलेटर पर हैं या जिनके शरीर पर खुले घाव हैं। इस बैक्टीरिया को जो चीज़ विशेष रूप से खतरनाक बनाती है, वह है कई सामान्य एंटीबायोटिक्स के प्रति इसकी प्रतिरोधक क्षमता, जिसने इसे "सुपरबग" की प्रतिष्ठा दिलाई है। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि इस बैक्टीरिया के विभिन्न स्ट्रेन (strains) लैब में अलग-अलग व्यवहार करते हैं, लेकिन इन अंतरों को नियंत्रित करने वाले नियम स्पष्ट नहीं रहे हैं। क्या एक स्ट्रेन जो चूहे के लिए घातक है, वह सबसे अच्छा बायोफिल्म (biofilm) भी बनाता है? क्या एक स्ट्रेन जो पेट्री डिश में तेजी से बढ़ता है, वह मानव रक्त में भी सबसे अच्छी तरह जीवित रहता है? इन संबंधों को समझना महत्वपूर्ण है क्योंकि यह डॉक्टरों को यह अनुमान लगाने में मदद करता है कि एक विशिष्ट संक्रमण कैसे व्यवहार कर सकता है और इसका सर्वोत्तम उपचार कैसे किया जाए।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने तीन अलग-अलग इतिहास वाले एसीनेटोबैक्टर बाउमानी के तीन विशिष्ट स्ट्रेन की तुलना करके इस पहेली को सुलझाने का प्रयास किया। एक स्ट्रेन, जिसे LS01 के रूप में जाना जाता है, फेफड़ों के गंभीर संक्रमण वाले रोगी से अलग किया गया था और यह आम तौर पर एंटीबायोटिक्स के प्रति संवेदनशील है। दूसरा, AB5075, एक प्रसिद्ध, अत्यधिक प्रतिरोधी स्ट्रेन है जिसका उपयोग वैज्ञानिक अक्सर यह अध्ययन करने के लिए एक मानक संदर्भ के रूप में करते हैं कि बैक्टीरिया बीमारी कैसे फैलाते हैं। तीसरा, XH386, निमोनिया से पीड़ित एक बच्चे में पाया गया था और इसमें कई ड्रग-रेसिस्टेंस जीन मौजूद हैं। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि क्या ये आनुवंशिक अंतर स्पष्ट व्यवहार पैटर्न में परिवर्तित होते हैं। उन्होंने बैक्टीरिया को कई कठोर परीक्षणों से गुजारा, यह देखते हुए कि वे कैसे बढ़ते हैं, जीवित जीवों में वे कैसे जीवित रहते हैं, वे मानव कोशिकाओं से कैसे चिपकते हैं, और वे मानव रक्त सीरम और एंटीबायोटिक्स की कम खुराक जैसे तनावों के प्रति कैसी प्रतिक्रिया देते हैं।

परिणामों ने एक "सुपर-स्ट्रेन" की कमी को आश्चर्यजनक रूप से उजागर किया। इसके बजाय, प्रत्येक बैक्टीरिया अलग-अलग क्षेत्रों में उत्कृष्ट था, जिससे यह सिद्ध हुआ कि एक संदर्भ में घातक होना दूसरे में प्रभुत्व जमाने की गारंटी नहीं देता है। जब शोधकर्ताओं ने बैक्टीरिया को वैक्स मॉथ लार्वा (wax moth larvae) में इंजेक्ट किया, जो संक्रमण का परीक्षण करने के लिए एक सामान्य मॉडल है, तो LS01 स्ट्रेन सबसे घातक साबित हुआ, जिसने चार दिनों के भीतर अधिकांश लार्वा को मार डाला। यह पैटर्न तब भी कायम रहा जब टीम ने चूहों पर प्रयोग किया। जब बैक्टीरिया को एक विशिष्ट खुराक पर चूहों के फेफड़ों में डाला गया, तो LS0s1 स्ट्रेन ने पांच दिनों के भीतर 25% जानवरों को मार दिया। इसके विपरीत, अन्य दो स्ट्रेन, AB5075 और XH386 से संक्रमित चूहों में से सभी जीवित रहे। यह एक महत्वपूर्ण खोज थी क्योंकि इसने दिखाया कि जिसे लैब में "अत्यधिक घातक" संदर्भ के रूप में उपयोग किया जाता है, वह आवश्यक रूप से इन विशिष्ट स्थितियों में चूहों को नहीं मारता, जबकि एक वास्तविक रोगी से प्राप्त स्ट्रेन ने उन्हें मार दिया।

हालाँकि, कहानी तब बदल गई जब शोधकर्ताओं ने देखा कि बैक्टीरिया मानव कोशिकाओं और सतहों के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। जबकि LS01 जीवित मेजबानों के लिए सबसे घातक था, XH386 स्ट्रेन जुड़ाव (attachment) का चैंपियन था। जब मानव फेफड़ों की कोशिकाओं पर एक डिश में रखा गया, तो XH386 बार-बार किए गए प्रयोगों में अन्य दो की तुलना में सतह से अधिक प्रभावी ढंग से चिपका। इसने हीट-ट्रीटेड मानव रक्त सीरम के संपर्क में आने पर सबसे मजबूत बायोफिल्म—बैक्टीरिया के चिपचिपे समुदायों—का निर्माण भी किया। यह सुझाव देता है कि XH386 सतहों से चिपकने और सुरक्षात्मक समुदाय बनाने में असाधारण रूप से कुशल है, भले ही वह LS01 की तुलना में पूरे जीव के लिए तत्काल घातक न हो। इस बीच, AB5073 स्ट्रेन ने एक शक्तिशाली इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी के नीचे देखे जाने पर अपने शरीर के चारों ओर सबसे दृश्यमान सुरक्षात्मक परत, या कैप्सूल, प्रदर्शित किया, फिर भी इसने कोशिकाओं से चिपकने या मारने में सबसे बेहतर प्रदर्शन नहीं किया।

शोधकर्ताओं ने यह भी जांचा कि बैक्टीरिया तनाव के प्रति, जैसे कि मानव रक्त सीरम या कोलिस्टिन (colistin) के निम्न स्तर की उपस्थिति में, कैसे प्रतिक्रिया करते हैं। उन्होंने पाया कि बैक्टीरिया की प्रतिक्रियाएं स्ट्रेन और वातावरण के प्रति अत्यधिक विशिष्ट थीं। उदाहरण के लिए, जब XH386 स्ट्रेन को आयरन (लोहा) से वंचित रखा गया, जो एक पोषक तत्व है जिसकी उसे मेजबान के भीतर जीवित रहने के लिए आवश्यकता होती है, तो उसने आयरन को खोजने और पकड़ने के लिए बड़ी संख्या में जीन सक्रिय कर दिए। आयरन की कमी पर इसकी प्रतिक्रिया एंटीबायोटिक या रक्त सीरम की तुलना में बहुत अधिक मजबूत थी। दिलचस्प बात यह है कि जिन जीनों ने एंटीबायोटिक प्रतिरोध की क्षमता को नियंत्रित किया, वे स्ट्रेन के बीच स्पष्ट रूप से भिन्न थे, जो शोधकर्ताओं द्वारा लैब में देखी गई बातों से मेल खाते थे। प्रतिरोधी स्ट्रेन में दवाओं से लड़ने के लिए विशिष्ट आनुवंशिक उपकरण थे, जबकि संवेदनशील स्ट्रेन में नहीं थे। फिर भी, बीमारी पैदा करने वाले जीन, जैसे कि बायोफिल्म बनाने या आयरन को पकड़ने वाले जीन, तीनों स्ट्रेन में मौजूद थे।

यह अध्ययन के मुख्य निष्कर्ष की ओर ले जाता है: एक ही आनुवंशिक टूलकिट होने का मतलब यह नहीं है कि बैक्टीरिया एक ही तरह से व्यवहार करेंगे। तीनों स्ट्रेन में बीमारी पैदा करने या तनाव से बचने के लिए आवश्यक अधिकांश प्रमुख जीन साझा थे, फिर भी वे बहुत अलग व्यवहार करते थे। अंतर इस कारण से नहीं थे कि किसी एक स्ट्रेन के पास ऐसा जीन था जो दूसरों के पास नहीं था, बल्कि इस कारण से थे कि प्रत्येक स्ट्रेन अपने पास मौजूद जीनों का उपयोग कैसे करता था। LS01 स्ट्रेन जीवित मेजबान में एक शक्तिशाली हत्यारा था, XH386 स्ट्रेन जुड़ाव और बायोफिल्म निर्माण का मास्टर था, और AB5075 स्ट्रेन के पास एक मोटा सुरक्षात्मक आवरण था लेकिन मध्यम घातकता दिखाई। यह अध्ययन दर्शाता है कि आप केवल उसके आनुवंशिक सूची को देखकर या यह मानकर कि दवाओं के प्रति प्रतिरोध का अर्थ यह है कि वह अधिक घातक होगा, यह भविष्यवाणी नहीं कर सकते कि एसीनेटोब्ैक्टर बाउमानी का एक विशिष्ट स्ट्रेन कितना खतरनाक होगा। इसके बजाय, इन बैक्टीरिया का व्यवहार उनकी आनुवंशिक क्षमता और पर्यावरण के जवाब में उनके द्वारा उपयोग किए जाने वाले जीनों के जटिल मिश्रण का परिणाम है।