Ultrahigh-Throughput Evolution of a Photoenzyme for Efficient Bioproduction of Toluene and p-Cresol

प्रकृति लंबे समय से जीवन को शक्ति देने के लिए सूर्य के प्रकाश पर निर्भर रही है, जो सबसे प्रसिद्ध रूप से प्रकाश संश्लेषण (photosynthesis) के माध्यम से होता है, जहाँ पौधे शर्करा बनाने के लिए प्रकाश ऊर्जा को पकड़ते हैं। लेकिन प्रकाश केवल हरी दुनिया को खिलाने के लिए ही नहीं है; यह 'फोटोएंजाइम' नामक सूक्ष्म जैविक मशीनों के भीतर रासायनिक प्रतिक्रियाओं को भी संचालित कर सकता है। ये प्रकाश-संचालित एंजाइम, फोटोएंजाइम के रूप में जाने जाते हैं, सौर-संचालित उपकरणों की तरह कार्य करते हैं जो अविश्वसनीय गति के साथ अणुओं को तोड़ सकते हैं या बना सकते हैं। वर्षों से, वैज्ञानिकों ने इन प्राकृतिक मशीनों को नए कार्यों को करने के लिए प्रशिक्षित करने का प्रयास किया है, जैसे कि पौधों से प्राप्त सामग्रियों को उन उपयोगी रसायनों में बदलना जिन्हें हम वर्तमान में तेल से बनाते हैं। हालाँकि, एक बड़ी बाधा सामने खड़ी थी: एक ऐसा सही संस्करण ढूँढना जो उपयोगी होने के लिए पर्याप्त रूप से अच्छा काम कर सके। एक एंजाइम को बेहतर बनाने की प्रक्रिया में आमतौर पर इसके ढांचे में हजारों सूक्ष्म बदलाव करना और उन्हें एक-एक करके परीक्षण करना शामिल होता है, जो एक धीमी और उबाऊ प्रक्रिया है जो अक्सर शोधकर्ताओं को केवल मामूली सुधारों तक ही सीमित छोड़ देती है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक दिन में लाखों एंजाइम विविधताओं का परीक्षण करने की विधि विकसित करके इस बाधा को पार कर लिया है। उन्होंने एक विशिष्ट प्रकाश-संचालित एंजाइम पर ध्यान केंद्रित किया जो स्वाभाविक रूप से फैटी एसिड को तोड़ता है। वैज्ञानिक इस एंजाइम को कुछ ऐसा करने के लिए सिखाना चाहते थे जो इसने प्रकृति में कभी नहीं किया: कुछ पौधों-आधारित निर्माण खंडों (building blocks) को टोल्यूनि (toluene) और पी-क्रेसोल (p-cresol) में बदलना। ये दो रसायन गैसोलीन, प्लास्टिक और एंटीऑक्सिडेंट के महत्वपूर्ण घटक हैं, लेकिन वर्तमान में इनका उत्पादन लगभग पूरी तरह से पेट्रोलियम से किया जाता है। एक नई, अत्यंत तीव्र स्क्रीनिंग तकनीक का उपयोग करके, टीम ने इस एंजाइम को इस नए कार्य को उच्च दक्षता के साथ करने के लिए सफलतापूर्वक विकसित किया। उन्होंने फिर इस उन्नत एंजाइम को अन्य जैविक चरणों से जोड़ा, जिससे एक पूर्ण प्रणाली बन गई जो सरल मक्का या अन्य फसलों की शर्करा को सीधे इन मूल्यवान रसायनों में बदल सकती है, जो तेल-आधारित उत्पादन के स्थान पर एक स्वच्छ, नवीकरणीय विकल्प के रूप में एक संभावित मार्ग प्रदान करती है।

चुनौती एक घास के ढेर में सुई खोजने की कठिनाई से शुरू हुई। किसी एंजाइम को एक नए कार्य में बेहतर बनाने के लिए, वैज्ञानिक आमतौर पर इसके ढांचे में मामूली अंतर वाले उत्परिवर्ती (mutant) संस्करणों का एक पुस्तकालय बनाते हैं। अतीत में, शोधकर्ता एक समय में केवल कुछ सौ या कुछ हजार ऐसे उत्परिवर्तियों का परीक्षण कर सकते थे, जो एक पुस्तकालय में केवल कुछ अलमारियों की जाँच करके एक विशिष्ट पुस्तक खोजने जैसा है। टीम ने महसूस किया कि वास्तव में एक श्रेष्ठ संस्करण खोजने के लिए, उन्हें लाखों संभावनाओं की खोज करने की आवश्यकता थी। इसे करने के लिए, उन्होंने एक जैविक सेंसर प्रणाली बनाई। उन्होंने एक विशिष्ट प्रोटीन को इंजीनियर किया जो एक डिटेक्टर के रूप में कार्य करता है, जो लक्षित रसायन, टोल्यूनि या पी-क्रेसोल को महसूस करने पर चमकता है। यह चमक एक संकेत के रूप में कार्य करती है कि कोशिका के भीतर का एंजाइम सही ढंग से काम कर रहा है। इस चमकने वाले संकेत को एक ऐसी मशीन से जोड़कर, जो अविश्वसनीय गति से कोशिकाओं को छाँट सकती है, उन्होंने एक ऐसी प्रणाली बनाई जो घंटों में लाखों कोशिकाओं को स्कैन कर सकती है, और केवल उन्हीं को चुन सकती है जो सबसे तेज़ चमक पैदा करती हैं।

शोधकर्ताओं ने फैटी एसिड एंजाइम के लाखों विविधताओं वाले पुस्तकालय पर इस उच्च-गति वाली स्क्रीनिंग को लागू किया। उन्होंने कंप्यूटर भविष्यवाणियों के आधार पर एंजाइम की संरचना में छोटे, लक्षित बदलावों से शुरुआत की, और फिर और अधिक संभावनाओं को खोजने के लिए यादृच्छिक (random) परिवर्तनों का उपयोग किया। स्क्रीनिंग के पहले दौर में, उन्होंने कुछ आशाजनक उम्मीदवारों की पहचान की जो मूल एंजाइम की तुलना में इस कार्य में बेहतर थे। लेकिन वे वहीं नहीं रुके। उन्होंने सर्वश्रेष्ठ उम्मीदवारों को लिया और उन्हें स्क्रीनिंग प्रक्रिया के माध्यम से फिर से चलाया, जिसमें और अधिक उत्परिवर्तन जोड़े गए और उन्हें और भी सख्त परिस्थितियों में परखा गया। इस गहन विकास के तीन दौरों के बाद, उन्होंने एंजाइम के दो अंतिम संस्करणों को अलग किया जो मूल से दो सौ गुना अधिक उत्पादक थे। ये नए संस्करण इस प्रकार के गैर-मूल (non-native) रसायनों के लिए इस प्रकार की प्रतिक्रिया में पहले कभी न देखी गई गति और दक्षता के साथ, पौधों-आधारित शुरुआती सामग्रियों को टोल्यूनि और पी-क्रेसोल में बदलने में सक्षम थे।

इन सूक्ष्म परिवर्तनों ने इतना बड़ा अंतर कैसे किया, इसे समझने के लिए टीम ने एंजाइम को क्रिया में देखने हेतु कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। उन्होंने पाया कि उत्परिवर्तन (mutations) ने एंजाइम की आंतरिक जेब (pocket) को नया आकार देने के लिए मिलकर काम किया जहाँ रासायनिक प्रतिक्रिया होती है। नए आकार ने जेब को छोटा और अधिक तैलीय बना दिया, जिससे इसने पौधों-आधारित अणुओं को अधिक मजबूती से पकड़ने में मदद की। उत्परिवर्तनों ने एंजाइम के प्रकाश-अवशोषक भाग और उस रसायन के बीच की दूरी को भी समायोजित किया जिसे वह तोड़ने की कोशिश कर रहा था, जिससे ऊर्जा का स्थानांतरण बहुत तेज़ हो गया। अनिवार्य रूप से, विकास प्रक्रिया ने एंजाइम की आंतरिक मशीनरी को सूक्ष्म रूप से ट्यून किया था, जिससे रसायन के एंजाइम में प्रवेश करने से लेकर उसके रूपांतरण और रिलीज होने तक के हर चरण को अनुकूलित किया गया।

इन शक्तिशाली नए एंजाइमों के साथ, शोधकर्ताओं ने एक पूर्ण उत्पादन लाइन बनाने का लक्ष्य रखा। उन्होंने एक बहु-चरणीय प्रक्रिया डिजाइन की जहाँ बैक्टीरिया का एक सेट पहले अमीनो एसिड को, जो शर्करा से प्राप्त होते हैं, मध्यवर्ती रसायनों में परिवर्तित करता है। फिर, विकसित किए गए प्रकाश-संचालित एंजाइम नियंत्रण लेते हैं, नीली रोशनी का उपयोग करके एक कार्बन परमाणु को हटाते हैं और अंतिम उत्पाद को मुक्त करते हैं। प्रयोगशाला सेटिंग में, इस प्रणाली ने सफलतापूर्वक टोल्यूनि और पी-क्रेसोल की उच्च सांद्रता का उत्पादन किया। टीम ने इस प्रक्रिया को एक कदम आगे ले जाकर इसे बड़े पैमाने पर किण्वन (fermentation) प्रक्रिया के साथ जोड़ा। उन्होंने सीधे ग्लूकोज से आवश्यक अमीनो एसिड बनाने के लिए टैंक में बैक्टीरिया को उगाया, और फिर, मिश्रण को शुद्ध किए बिना, वे इस कच्चे सूप को सीधे प्रकाश-संचालित प्रतिक्रिया में डाल देते हैं। परिणाम एक निरंतर प्रवाह था जिसने कच्चे पौधे की शर्करा को प्रति लीटर तरल में 4.3 ग्राम टोल्यूनि और 21.4 ग्राम पी-क्रेसोल में बदल दिया।

यह कार्य प्रदर्शित करता है कि प्रकृति के प्रकाश-संचालित उपकरणों को जटिल औद्योगिक कार्यों को करने के लिए पुन: प्रोग्राम करना संभव है, जिन्हें पहले पहुंच से बाहर माना जाता था। कंप्यूटर मॉडलिंग और किण्वन के साथ एक तीव्र स्क्रीनिंग पद्धति को जोड़कर, टीम ने जीवाश्म ईंधन के बजाय नवीकरणीय बायोमास से महत्वपूर्ण रसायनों का उत्पादन करने का एक स्पष्ट मार्ग दिखाया है। इस दृष्टिकोण की सफलता यह सुझाव देती है कि अन्य कठिन रासायनिक रूपांतरणों को भी इसी तरह से हल किया जा सकता है, जो संभावित रूप से तेल और उच्च ताप के बजाय सूर्य के प्रकाश और जीव विज्ञान पर आधारित टिकाऊ विनिर्माण प्रक्रियाओं के लिए द्वार खोल सकता है। अध्ययन इस बात की पुष्टि करता है कि सही उपकरणों के साथ, इन एंजाइमों की क्षमता की सीमा बहुत अधिक है जितना कि पहले कल्पना की गई थी।