Identification and Functional Characterization of a Cardosin B Homolog in Physcomitrium patens with Milk-Clotting Activity
यह अध्ययन *फाइस्कोमिट्रियम पैटेन्स* (Physcomitrium patens) नामक मॉस में PpAP1, जो कि एक कार्डोसिन बी (Cardosin B) होमोलॉग है, की पहचान और कार्यात्मक लक्षण वर्णन करता है, यह प्रदर्शित करते हुए कि इसका ओवरएक्सप्रेशन एस्पार्टिक प्रोटीज-निर्भर दूध जमाने की गतिविधि प्रदान करता है, जिससे यह डेयरी जैव प्रौद्योगिकी के लिए एक आशाजनक पादप-आधारित विकल्प के रूप में स्थापित होता है।
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पनीर बनाना एक सरल, प्राचीन परिवर्तन के साथ शुरू होता है: तरल दूध को ठोस दही (curd) में बदलना। सदियों से, इस महत्वपूर्ण चरण ने एक विशिष्ट एंजाइम पर भरोसा किया है, जिसे अक्सर छोटे बछड़ों के पेट से निकाला जाता है, जो आणविक कैंची की तरह काम करता है ताकि दूध के प्रोटीन को काटकर उन्हें आपस में जोड़ने में मदद मिल सके। हालांकि यह प्रभावी है, लेकिन पशु स्रोतों पर निर्भरता ने वैज्ञानिकों को ऐसे विकल्पों की तलाश करने के लिए प्रेरित किया है जो सुसंगत, स्केलेबल और जैविक आपूर्ति श्रृंखलाओं की परिवर्तनशीलता से मुक्त हों। पौधों ने लंबे समय से एक आशाजनक समाधान प्रदान किया है, विशेष रूप से 'एस्पार्टिक प्रोटीज' (aspartic proteases) नामक एंजाइमों का एक समूह। ये कई पौधों में पाए जाने वाले जैविक उपकरण हैं जो अम्लीय वातावरण में सबसे अच्छा कार्य करते हैं और प्रोटीन को काटने में सक्षम होते हैं। एक प्रसिद्ध उदाहरण कार्डून (cardoon) पौधे से आता है, जो आर्टिचोक का एक संबंधी है, जिसके फूलों का उपयोग पीढ़ियों से पारंपरिक पनीर बनाने में दूध को जमाने (coagulate) के लिए किया जाता रहा है। चुनौती अन्य पौधों को खोजने में रही है जिनमें स्वाभाविक रूप से ऐसी समान क्षमताएं मौजूद हों, या उन्हें ऐसा करने के लिए इंजीनियर किया जा सके, ताकि इस आवश्यक औद्योगिक प्रक्रिया के लिए एक विश्वसनीय, पादप-आधारित स्रोत बनाया जा सके।
हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने 'फिज़कोमिट्रियम पैटेंस' (Physcomitrium patens) नामक एक साधारण मॉस (moss) की ओर ध्यान आकर्षित किया। यह छोटा, गैर-संवहनी (non-vascular) पौधा प्रयोगशालाओं में पसंदीदा बन गया है क्योंकि इसे बड़ी मात्रा में उगाना आसान है और इसका जेनेटिक कोड पूरी तरह से मैप किया जा चुका है, जो इसे नए प्रोटीन बनाने के लिए एक बहुमुखी कारखाने के रूप में उपयोगी बनाता है। उरुग्वे के यूनिवर्सिडैड डी ला रिपब्लिका के वैज्ञानिकों के नेतृत्व वाली टीम ने एक विशिष्ट प्रश्न पूछा: क्या इस मॉस में पहले से ही एक छिपा हुआ एंजाइम मौजूद है जो कार्डून के दूध जमाने वाले उपकरण की तरह कार्य करता है? उन्होंने मॉस के संपूर्ण जेनेटिक लाइब्रेरी को स्कैन करना शुरू किया, और किसी भी ऐसे प्रोटीन की तलाश की जो संरचनात्मक रूप से ज्ञात कार्डून एंजाइम, 'कार्डोसिन बी' (Cardosin B) के समान दिखता हो। यह खोज एक अंधा अनुमान नहीं थी; वे एक बहुत ही विशिष्ट आकार और प्रोटीन के भीतर रासायनिक चाबियों के एक सेट की तलाश कर रहे थे जो अन्य अणुओं को काटने के लिए आवश्यक हैं।
कंप्यूटर खोज ने हजारों संभावनाओं को घटाकर केवल सोलह उम्मीदवारों तक सीमित कर दिया, और उनमें से तीन सबसे सटीक मेल के रूप में उभरे। इन तीन प्रोटीनों में कार्डून एंजाइम के साथ उच्च स्तर की समानता थी और इनमें वही महत्वपूर्ण आंतरिक विशेषताएं थीं, जिसमें दो विशिष्ट रासायनिक स्थान शामिल हैं जो सक्रिय काटने वाली साइट के रूप में कार्य करते हैं। शोधकर्ताओं ने सबसे करीबी मेल पर ध्यान केंद्रित किया, एक प्रोटीन जिसे उन्होंने 'PpAP1' नाम दिया। यह समझने के लिए कि यह मॉस प्रोटीन कैसे काम कर सकता है, उन्होंने इसका एक विस्तृत त्रि-आयामी (3D) कंप्यूटर मॉडल बनाया। जब उन्होंने इस डिजिटल मॉडल की तुलना कार्डून एंजाइम की ज्ञात क्रिस्टल संरचना से की, तो परिणाम आश्चर्यजनक थे। मॉस प्रोटीन का कोर उसी विशिष्ट दो-लोब वाले आकार में मुड़ा हुआ था, और दो महत्वपूर्ण काटने वाले स्थान लगभग अंतरिक्ष में बिल्कुल उसी स्थान पर स्थित थे। इस संरचनात्मक समानता ने सुझाव दिया कि मॉस एंजाइम एक समान कार्य करने के लिए बना है, भले ही इसका विकास एक पूरी तरह से अलग जीव में हुआ हो।
कंप्यूटर मॉडल से आगे बढ़कर यह देखने के लिए कि क्या एंजाइम वास्तव में काम करता है, वैज्ञानिकों को इस मॉस को इसका उत्पादन करने के लिए प्रेरित करना था। उन्होंने मॉस कोशिकाओं में PpAP1 के जेनेटिक निर्देशों को डाला, जिससे मॉस की ऐसी लाइनें तैयार हुईं जो अनिवार्य रूप से इस विशिष्ट प्रोटीन के निर्माण के लिए 'सुपरचार्ज्ड' थीं। उन्होंने पुष्टि की कि ये संशोधित पौधे सामान्य मॉस की तुलना में इस एंजाइम का बहुत अधिक स्तर का उत्पादन कर रहे थे। इसके बाद परीक्षण आया। शोधकर्ताओं ने सामान्य मॉस और सुपरचार्ज्ड मॉस दोनों से तरल अर्क (extract) लिया और उसे पुनर्गठित दूध पाउडर (reconstituted milk powder) के साथ मिलाया। परिणाम तत्काल और स्पष्ट था। सामान्य मॉस के अर्क ने दूध पर कुछ नहीं किया; वह तरल बना रहा। हालांकि, अतिरिक्त PpAP1 का उत्पादन करने वाले मॉस के अर्क ने दूध को जमा दिया, जिससे आठ घंटे के इनक्यूबेशन के बाद वह ठोस दही में बदल गया। यह पहला प्रत्यक्ष प्रमाण था कि यह मॉस एंजाइम पनीर बनाने के लिए आवश्यक विशिष्ट कार्य को कर सकता है।
यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह जमाव (clotting) वास्तव में उनके द्वारा अध्ययन किए जा रहे विशिष्ट एंजाइम के कारण हुआ है न कि पौधे के किसी अन्य यादृच्छिक रसायन के कारण, टीम ने एक अंतिम नियंत्रण परीक्षण (control test) किया। उन्होंने मॉस अर्क को दूध में मिलाने से पहले इस वर्ग के एंजाइमों की गतिविधि को रोकने वाले एक ज्ञात पदार्थ को इसमें मिला दिया। जब उन्होंने ऐसा किया, तो दूध जमने से इनकार कर दिया। एंजाइम प्रभावी रूप से शांत (silenced) हो गया था, और दूध तरल बना रहा। इसने पुष्टि की कि जमाव की क्रिया वास्तव में PpAP1 की एस्पार्टिक प्रोटीज गतिविधि द्वारा संचालित थी। अध्ययन ने यह दावा नहीं किया कि यह मॉस एंजाइम कल ही कारखानों में पारंपरिक रेननेट (rennet) को बदलने के लिए तैयार है, न ही इसने यह सिद्ध किया कि यह दूध के प्रोटीन को कार्डून एंजाइम के बिल्कुल समान तरीके से या समान गति से काटता है। हालांकि, इसने ठोस, प्रयोगात्मक प्रमाण प्रदान किया कि फिज़कोमिट्रियम पैटेंस में स्वाभाविक रूप से एक प्रोटीन मौजूद है जो दूध को जमाने में सक्षम है। इस छिपी हुई क्षमता की पहचान करके और इसे सक्रिय करके, शोधकर्ताओं ने डेयरी उद्योग के लिए एंजाइमों के उत्पादन के लिए मॉस का उपयोग करने हेतु एक नया द्वार खोल दिया है, जो पनीर उत्पादन के अधिक टिकाऊ और नियंत्रित तरीकों की ओर एक संभावित मार्ग प्रदान करता है।
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