Metabolic engineering of Escherichia coli to enhance L-serine biosynthesis
यह अध्ययन पुन: अवशोषण जीन को हटाने और जैव-संश्लेषक, परिवहन और को-फैक्टर मॉड्यूल को अनुकूलित करके जनक स्ट्रेन H5 में *एस्चेरिचिया कोली* के औद्योगिक एल-सेरीन उत्पादन को बढ़ाता है, जिससे अंततः स्ट्रेन H8-abc और माध्यम अनुकूलन के माध्यम से 0.48 ग्राम/ग्राम तक 71.84% की पैदावार वृद्धि प्राप्त होती है।
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बैक्टीरिया की सूक्ष्म दुनिया में, जीवन भोजन लेने और उसे विकास के लिए आवश्यक निर्माण खंडों (building blocks) में बदलने के बीच एक निरंतर संतुलन है। ऐसा ही एक निर्माण खंड एल-सेरीन (L-serine) है, जो एक ऐसा अणु है, जो हालांकि मानव अस्तित्व के लिए अनिवार्य नहीं है, लेकिन खाद्य योजकों (additives) से लेकर पशु आहार, दवाओं और सौंदर्य प्रसाधनों तक सब कुछ में एक महत्वपूर्ण घटक है। दशकों से, वैज्ञानिक एस्चेरिचिया कोलाई (Escherichia coli) जैसे बैक्टीरिया को इस अणु का बड़ी मात्रा में उत्पादन करने के लिए प्रेरित करने का प्रयास कर रहे हैं। चुनौती दोहरी रही है: बैक्टीरिया से पर्याप्त मात्रा में इसका उत्पादन करवाना, और यह सुनिश्चित करना कि यह प्रक्रिया आर्थिक रूप से व्यवहार्य होने के लिए पर्याप्त कुशल हो। यहाँ दक्षता का अर्थ है कि बैक्टीरिया द्वारा खाए गए चीनी का कितना हिस्सा वास्तव में वांछित उत्पाद में परिवर्तित होता है, बजाय इसके कि उसे बर्बाद किया जाए या अन्य चीजों में बदल दिया जाए। यदि कोई कारखाना एक टन कच्चे माल को केवल थोड़े से उत्पाद में बदल देता है, तो व्यापक उपयोग के लिए लागत बहुत अधिक हो जाती है। लक्ष्य बैक्टीरिया की आंतरिक मशीनरी को इस तरह से फिर से व्यवस्थित करना है ताकि वे अपनी जितनी संभव ऊर्जा एल-सेरीन बनाने में लगा सकें, जबकि उन्हें उस उत्पाद को खाने से रोका जा सके जिसे उन्होंने अभी बनाया है या इसके संचय से अभिभूत होने से बचाया जा सके।
जियांगनान विश्वविद्यालय और सिचुआन विश्वविद्यालय, चीन के शोधकर्ताओं के एक दल ने बैक्टीरिया की कोशिका को एक जटिल कारखाने की तरह मानकर इस समस्या को हल करने का प्रयास किया, जिसे एक बेहतर ब्लूप्रिंट (खाके) की आवश्यकता थी। उन्होंने ई. कोलाई के एक ऐसे स्ट्रेन (strain) से शुरुआत की जो पहले से ही एल-सेरीन बनाने में सक्षम था, लेकिन वे जानते थे कि यह बहुत बेहतर हो सकता है। उनका पहला कदम बैक्टीरिया को उत्पाद को पुनर्चक्रित (recycle) करने से रोकना था। जिस तरह एक कारखाना गलती से तैयार माल को वापस असेंबली लाइन पर ले जा सकता है ताकि उसे तोड़कर फिर से इस्तेमाल किया जा सके, वैसे ही इन बैक्टीरिया की आदत थी कि वे बाहर छोड़े गए एल-सेरीन को फिर से अवशोषित करते थे और उसका अन्य उद्देश्यों के लिए उपयोग करते थे। वैज्ञानिकों ने एक सटीक जेनेटिक एडिटिंग टूल का उपयोग करके उन विशिष्ट जीन को काट दिया जो इस पुन: अवशोषण के लिए जिम्मेदार थे। इससे एक नया स्ट्रेन बना जिसने कोशिका के बाहर अधिक एल-सेरीन बनाए रखा, जिससे प्राप्त होने वाली मात्रा बढ़ गई। हालाँकि, केवल बर्बादी को रोकना ही पर्याप्त नहीं था; उन्हें उत्पादन लाइन को भी बढ़ावा देने की आवश्यकता थी।
इसके बाद शोधकर्ताओं ने बैक्टीरिया में निर्देशों का एक नया सेट पेश किया, जिसमें उन्होंने कोरीनेबैक्टीरियम ग्लूटामिकम (Corynebacterium glutamicum) नामक बैक्टीरिया की एक अलग प्रजाति से एक अत्यधिक कुशल उत्पादन मॉड्यूल उधार लिया। यह विदेशी मॉड्यूल शुरुआती सामग्री को एल-सेरीन में बदलने के लिए एक अधिक शक्तिशाली इंजन के रूप में कार्य करता था। जब उन्होंने इस नए इंजन को उस स्ट्रेन के साथ जोड़ा जो अब उत्पाद को पुनर्चक्रित नहीं करता था, तो बैक्टीरिया ने काफी अधिक एल-सेरीन का उत्पादन किया, और रूपांतरण दर में नाटकीय सुधार हुआ। उन्होंने अतिरिक्त परिवहन चैनल (transport channels) जोड़कर उत्पाद को तेजी से निर्यात करने में मदद करने का भी प्रयास किया, जो एक कारखाने में अधिक लोडिंग डॉक खोलने के समान है, और उन्होंने आंतरिक रासायनिक संतुलन को समायोजित करने के प्रयोग भी किए ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि मशीनरी के पास सही ईंधन हो। दिलचस्प बात यह है कि उन्होंने पाया कि एक साथ बहुत अधिक सुधार करने से वास्तव में बैक्टीरिया धीमा हो गया, जिससे पता चलता है कि कोशिका का आंतरिक संतुलन नाजुक होता है और इसे परिवर्तनों से ओवरलोड करना प्रतिकूल हो सकता है।
विभिन्न संयोजनों का परीक्षण करने के बाद, टीम ने एक विशिष्ट स्ट्रेन की पहचान की जो सबसे अच्छा प्रदर्शन करता था। इसके बाद उन्होंने उस तरल वातावरण को सूक्ष्म रूप से ठीक किया जिसमें बैक्टीरिया विकसित हो रहे थे, विटामिन और अन्य पोषक तत्वों की मात्रा को समायोजित करके उत्पादन के लिए आदर्श स्थितियाँ बनाईं। अंतिम परीक्षणों में, इस अनुकूलित स्ट्रेन ने प्रति लीटर तरल में 7.20 ग्राम एल-सेरीन का उत्पादन किया, जिसमें प्रति ग्राम उपभोग की गई चीनी के लिए 0.48 ग्राम उत्पाद का रूपांतरण स्तर (conversion yield) प्राप्त हुआ। यह उनके शुरुआती स्ट्रेन की तुलना में दक्षता में लगभग 72 प्रतिशत की वृद्धि थी। यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि बैक्टीरिया के जीन को सावधानीपूर्वक संपादित करके—बर्बादी को रोकने, अन्य प्रजातियों से बेहतर मशीनरी उधार लेने और पोषक तत्वों का सही संतुलन खोजने के माध्यम से—वैज्ञानिक एल-सेरीन के उत्पादन के लिए एक बहुत अधिक कुशल प्रणाली बना सकते हैं। यह कार्य एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है कि कैसे बैक्टीरिया के स्ट्रेन विकसित किए जा सकते हैं जो एल-सेरीन की बढ़ती वैश्विक मांग को लागत प्रभावी और टिकाऊ तरीके से पूरा कर सकें।
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