Why does a gene cassette keep the company of an orphan reverse transcriptase? Pollutibacter on five continents

बैक्टीरिया की सूक्ष्म दुनिया में, जीवन वायरस के साथ लुका-छिपी का एक निरंतर, उच्च-दांव वाला खेल है। जीवित रहने के लिए, बैक्टीरिया ने आणविक रक्षा का एक विशाल शस्त्रागार विकसित किया है, जिनमें से कई एक विशिष्ट प्रकार के एंजाइम, जिसे रिवर्स ट्रांसक्रिप्टेज (reverse transcriptase) कहा जाता है, पर निर्भर करते हैं। इस एंजाइम को एक जैविक फोटोकॉपी मशीन के रूप में सोचें; कई ज्ञात प्रणालियों में, यह बैक्टीरिया को आक्रमण करने वाले वायरसों के आनुवंशिक ब्लूप्रिंट को रिकॉर्ड करने में मदद करता है ताकि वे भविष्य के हमलों में उन्हें पहचान सकें और नष्ट कर सकें। ये रक्षा प्रणालियाँ आमतौर पर सुव्यवस्थित होती हैं, जहाँ फोटोकॉपी मशीन विशिष्ट साथी प्रोटीनों और आनुवंशिक निर्देशों के साथ मिलकर काम करती है, जिससे एक स्पष्ट, कार्यात्मक टीम बनती है। हालाँकि, प्रकृति अक्सर रहस्य रखती है, ऐसे आनुवंशिक तत्वों को छिपाती है जो किसी ज्ञात परिवार के होने जैसे दिखते हैं लेकिन पैटर्न में फिट होने से इनकार कर देते हैं, जिससे वैज्ञानिक यह सोचने पर मजबूर हो जाते हैं कि वे क्या हैं और वे क्या करते हैं।

एक शोधकर्ता ने हाल ही में ऐसे ही एक रहस्य की ओर अपना ध्यान आकर्षित किया, जो दुनिया भर से लिए गए जल के नमूनों में पाया गया एक अजीब आनुवंशिक तत्व है। लगभग 1,90,000 बैक्टीरियल जीनोम को स्कैन करके, उन्होंने एक अद्वितीय रिवर्स ट्रांसक्रिप्टेज एंजाइम की खोज की जो किसी भी ज्ञात परिवार से मेल नहीं खाता है। यह एक अनाथ (orphan) है, जो आनुवंशिक कोड में अकेला बैठा है, फिर भी यह वास्तव में कभी अकेला नहीं होता। हर उस मामले में जहाँ यह एंजाइम पाया गया, यह विशिष्ट पड़ोसी जीनों के एक सेट के साथ पाया गया, जो एक घनिष्ठ समूह बनाता है जिसे शोधकर्ता एक 'कैसेट' (cassette) कहते हैं। इस कैसेट में ऊपर की ओर एक नॉन-कोडिंग आनुवंशिक तत्व और एंजाइम से निश्चित दूरियों पर स्थित चार विशिष्ट जीन शामिल हैं। यह खोज महत्वपूर्ण है क्योंकि यह एक नए, असूचीबद्ध तंत्र को प्रकट करती है जो पुलुटिबैक्टर (Pollutibacter) नामक बैक्टीरिया के एक एकल वंश (genus) के भीतर छिपा हुआ था, जो झीलों, नदियों और तालाबों में पाया जाता है।

शोधकर्ता, जिसका नेतृत्व चुलमिन प्यो (Chulmin Pyo) ने किया था, ने अपनी खोज की शुरुआत उन रिवर्स ट्रांसक्रिप्टेजों की तलाश करके की जो वर्गीकरण को चुनौती दे रहे थे। उन्होंने एक विशाल बैक्टीरियल जीनोम डेटाबेस की जांच की और इन एंजाइमों के 32 समूहों को पाया जिन्हें किसी ज्ञात परिवार में नहीं सौंपा जा सका। एक समूह, जिसे उन्होंने ESOL नाम दिया, इसलिए अलग खड़ा हुआ क्योंकि वह एंजाइम हमेशा अपने समान पड़ोसियों से घिरा रहता था। इस संबंध को समझने के लिए, उन्होंने 16 विशिष्ट बैक्टीरियल जीनोमों पर ध्यान केंद्रित किया, जो मेटाजीनोम-असेंबल किए गए जीनोम (metagenome-assembled genomes) के रूप में जाने जाते हैं, जिन्हें नौ देशों से एकत्र किए गए जल के नमूनों से पुनर्गठित किया गया था। ये नमूने विविध मीठे पानी के वातावरण, जिसमें मलावी की झीलें और भारत की नदियाँ शामिल थीं, से आए थे, फिर भी प्रत्येक में वही अद्वितीय एंजाइम और वही आसपास की जीन व्यवस्था मौजूद थी।

जो इस खोज को पहेली बनाता है, वह यह है कि इस एंजाइम के पड़ोसी ऐसा लगता है जैसे उनका अपना स्वतंत्र जीवन हो। शोधकर्ता ने पाया कि कैसेट के दो जीन, जिन्हें उन्होंने माइनस-वन (minus-one) और प्लस-थ्री (plus-three) जीन लेबल किया है, अक्सर कई अन्य प्रकार के बैक्टीरिया में बिना एंजाइम के एक जोड़े के रूप में एक साथ दिखाई देते हैं। वास्तव में, ये जीन जोड़े पुलुटिबैक्टर परिवार के बाहर 54 विभिन्न वंशों में पाए जाते हैं। हालाँकि, पुलुटिबैक्टर वंश के भीतर, ये जीन लगभग हमेशा उस अनाथ एंजाइम के ठीक बगल में बैठे होते हैं। यह एक मौलिक प्रश्न खड़ा करता है: यह एंजाइम एक ही स्थान पर इतनी विशिष्ट संगति क्यों बनाए रखता है, जबकि इसके पड़ोसी अन्य स्थानों पर स्वतंत्र रूप से घूमते हैं?

इसका उत्तर देने के लिए, शोधकर्ता को यह साबित करना था कि एंजाइम और उसके पड़ोसी वास्तव में जुड़े हुए हैं और केवल डेटा असेंबली की कोई गलती नहीं हैं। उन्होंने टूटे हुए जीन या समय से पहले रुकने जैसे क्षति या क्षय के संकेतों के लिए आनुवंशिक अनुक्रमों की जाँच की, जो यह सुझाव देते कि प्रणाली टूट रही है। उन्होंने ऐसा कोई नुकसान नहीं पाया; प्रत्येक जीन कैसेट बरकरार था और प्राकृतिक चयन द्वारा संरक्षित होने के संकेत दिखा रहा था, जिसका अर्थ है कि बैक्टीरिया इन जीनों को सक्रिय रूप से बनाए रख रहे हैं क्योंकि वे उपयोगी हैं। इसके अलावा, उन्होंने लंबे डीएनए स्ट्रैंड्स से कच्चे, अनप्रोसेस्ड आनुवंशिक डेटा को देखा। ये स्ट्रैंड्स, जिन्हें पूर्ण जीनोम में असेंबल नहीं किया गया था, फिर भी एंजाइम और उसके पड़ोसियों को सही क्रम में एक साथ बैठे हुए दिखाते हैं, जिससे पुष्टि होती है कि यह व्यवस्था प्रकृति में मौजूद है और कंप्यूटर असेंबली का कोई कृत्रिम परिणाम नहीं है।

शोधकर्ता ने कैसेट के जीनों के कार्य की भी जांच की। एक जीन, जो प्लस-थ्री स्थिति में स्थित है, एक ऐसा प्रोटीन कोड करता हुआ प्रतीत होता है जो एक मेटालोप्रोटीज (metalloprotease) जैसा दिखता है, जो अन्य प्रोटीनों को तोड़ने वाला एंजाइम है। हालाँकि, इस प्रोटीन में उस विशिष्ट रासायनिक हस्ताक्षर की कमी है जो आमतौर पर इस काम के लिए आवश्यक होता है। इस प्रमुख विशेषता के अभाव के बावजूद, यह जीन अभी भी बैक्टीरिया द्वारा संरक्षित किया जा रहा है, जो बताता है कि यह कुछ अन्य, अज्ञात कार्य करता है। एक अन्य जीन एक ऐसे प्रोटीन को कोड करता है जिसमें MIDAS मोटिफ होता है, जो एक ऐसी संरचना है जिसका उपयोग अक्सर धातु आयनों को पकड़ने के लिए किया जाता है, लेकिन इस प्रणाली में इसकी सटीक भूमिका अभी भी एक रहस्य है। स्वयं एंजाइम, रिवर्स ट्रांसक्रिप्टेज, इस प्रणाली का आधार है, लेकिन शोधकर्ता इसके स्ट्रक्चर और सीक्वेंस की हजारों अन्य के साथ तुलना करने के बाद भी इसे किसी ज्ञात विकासवादी परिवार में नहीं रख सके।

अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि क्या यह प्रणाली वायरसों के खिलाफ एक रक्षा तंत्र हो सकती है, जैसा कि अन्य ज्ञात बैक्टीरियल प्रतिरक्षा प्रणालियों में होता है। कुछ हालिया शोधों ने दिखाया है कि कुछ रिवर्स ट्रांसक्रिप्टेज प्रणालियाँ वायरल हमलों से लड़ने के लिए अन्य प्रोटीनों के साथ टीमों में काम करती हैं। इस अध्ययन में पाया गया अनाथ एंजाइम एक ऐसे जीन के बगल में स्थित है जो हेलिकेस (helicase) जैसा दिखता है, जो एक मोटर प्रोटीन है जो डीएनए को खोलता है, जो रक्षा प्रणालियों की एक सामान्य विशेषता है। हालाँकि, शोधकर्ता को इस बात का प्रमाण नहीं मिला कि इस विशिष्ट प्रणाली को कार्य करने के लिए किसी विशेष होस्ट प्रोटीन की आवश्यकता है, और न ही उन्हें यह प्रमाण मिला कि यदि होस्ट के पास एक विशिष्ट रक्षा जीन की कमी है तो यह बैक्टीरिया के लिए विषाक्त है। हालांकि यह व्यवस्था एक रक्षा प्रणाली जैसी दिखती है, शोधकर्ता प्रयोगशाला प्रयोगों के बिना इसके उद्देश्य की पुष्टि नहीं कर सके, जो वर्तमान में चल रहे हैं।

इस खोज का सबसे आश्चर्यजनक पहलू इस आनुवंशिक तत्व की भौगोलिक पहुंच है। कैसेट वाले 16 जीनोम पांच महाद्वीपों से लिए गए जल के नमूनों में पाए गए, फिर भी वे सभी एक ही वंश, पुलुटिबैक्टर से संबंधित थे। यह सुझाव देता है कि जबकि इस प्रणाली को ले जाने वाले बैक्टीरिया व्यापक रूप से फैले हुए हैं, यह प्रणाली स्वयं इस विशिष्ट वंशावली के भीतर लॉक रही है। शोधकर्ता ने पाया कि पुलुटिबैक्टर के बाहर, यह एंजाइम इन विशिष्ट पड़ोसियों के साथ कभी नहीं पाया जाता है, भले ही पड़ोसी स्वयं अन्य स्थानों पर आम हों। यह संकेत देता है कि एंजाइम और उसका कैसेट केवल एक बार साथ आए होंगे, या यह प्रणाली इतनी विशिष्ट है कि यह अन्य बैक्टीरियल होस्ट में जीवित नहीं रह सकती।

शोधकर्ता ने सावधानीपूर्वक यह भी बताया कि उन्हें क्या नहीं मिला। उन्होंने यह साबित नहीं किया कि यह प्रणाली वायरसों से रक्षा करती है, न ही उन्होंने यह निर्धारित किया कि जीन बैक्टीरिया के बीच कैसे चलते हैं। वे यह भी नहीं कह सके कि यह प्रणाली पर्यावरण में कितनी सामान्य या दुर्लभ है, क्योंकि उनकी खोज उनके पास उपलब्ध विशिष्ट जीनोम तक सीमित थी। एंजाइम की "अनाथ" स्थिति ज्ञात जीनों के वर्तमान पुस्तकालयों के बारे में एक बयान है; यह संभव है कि भविष्य की खोजें इसे किसी ज्ञात परिवार से जोड़ दें, लेकिन फिलहाल, यह अनअसाइन्ड (unassigned) है। इतने सारे जल स्रोतों में इस प्रणाली की उपस्थिति यह सुझाव देती है कि यह स्थिर और व्यापक है, लेकिन बैक्टीरिया के जीवन में इसकी सटीक भूमिका एक प्रश्नचिह्न बनी हुई है।

अंततः, यह शोध पत्र बैक्टीरियल दुनिया में एक नए क्षेत्र का मानचित्रण करता है। यह एक अद्वितीय आनुवंशिक मॉड्यूल की पहचान करता जिसमें एक अनक्लासिफिएबल (unclassifiable) एंजाइम और एक सेट संरक्षित पड़ोसी शामिल हैं, जो विशेष रूप से मीठे पानी के बैक्टीरिया के एक एकल वंश में पाया जाता है। शोधकर्ता ने दिखाया है कि यह व्यवस्था वास्तविक, बरकरार और दुनिया भर में फैली हुई है, फिर भी उन्होंने इसके कार्य को अनलॉक नहीं किया है। इस कैसेट की कहानी बिना स्पष्टीकरण वाली संबद्धता की कहानी है: एक रिवर्स ट्रांसक्रिप्टेज जो विशिष्ट जीनों की संगति बनाए रखता है, एक ऐसी इकाई बनाता है जो महाद्वीपों तक बनी रहती है लेकिन अपने उद्देश्य को प्रकट करने से इनकार करती है। विज्ञान के लिए अगला कदम अवलोकन से प्रयोग की ओर बढ़ना है, यह देखने के लिए कि क्या यह अनाथ एंजाइम और उसके साथी वास्तव में अपने बैक्टीरियल होस्ट की रक्षा कर सकते हैं, या वे पूरी तरह से अलग, अप्रत्याशित भूमिका निभाते हैं।