Ultrafast and reproducible quantitative analysis of bacterial chemotaxis by microfluidic cell counting and imaging

बैक्टीरिया अपने संसार में केवल निष्क्रिय यात्री नहीं हैं; वे सक्रिय नाविक हैं जो अपने परिवेश को समझने और उद्देश्य के साथ आगे बढ़ने में सक्षम हैं। यह क्षमता, जिसे कीमोटैक्सिस (chemotaxis) कहा जाता है, सूक्ष्मजीवों को उन पोषक तत्वों की ओर तैरने में मदद करती है जो उन्हें जीवित रखते हैं या उन जहरीले पदार्थों से दूर जाने में जो उनके अस्तित्व के लिए खतरा पैदा करते हैं। यह एक मौलिक व्यवहार है जो यह निर्धारित करता है कि बैक्टीरिया मेजबानों को कैसे संक्रमित करते हैं, सुरक्षात्मक समुदायों का निर्माण कैसे करते हैं, और जटिल वातावरण में भोजन कैसे खोजते हैं। वैज्ञानिकों के लिए, इस नेविगेशन को समझना महत्वपूर्ण है, फिर भी इसे मापना लंबे समय से एक धीमी और अपरिष्कृत प्रक्रिया रही है। पारंपरिक तरीकों में अक्सर पेट्री डिश पर दृश्य कॉलोनियों के रूप में बैक्टीरिया के विकसित होने तक रात भर प्रतीक्षा करनी पड़ती है, जो एक श्रमसाध्य प्रक्रिया है और जिसमें विसंगतियों की संभावना बनी रहती है। चूंकि परिणाम इस बात पर बहुत अधिक निर्भर कर सकते हैं कि प्रयोग को कैसे व्यवस्थित किया गया है, इसलिए बैक्टीरिया के अपने पर्यावरण के प्रति प्रतिक्रिया करने के सूक्ष्म परिवर्तनों का पता लगाना या उन्हें आकर्षित या विकर्षित करने वाले नए पदार्थों की खोज करना कठिन रहा है।

सिटी यूनिवर्सिटी ऑफ हांगकांग के शोधकर्ताओं ने इन सूक्ष्म तैराकों को देखने का एक नया तरीका विकसित किया है जो तेज़ भी है और कहीं अधिक विश्वसनीय भी है। इन सूक्ष्म तैराकों के बढ़ने का इंतज़ार करने के बजाय, उन्होंने एक क्लासिक परीक्षण पद्धति को एक छोटे, स्वचालित गिनती यंत्र (counting machine) के साथ जोड़ा है। उनके दृष्टिकोण में, बैक्टीरिया को एक विशिष्ट रसायन युक्त संकीर्ण कांच की नली के बगल में एक जलाशय (reservoir) में रखा जाता है। यदि रसायन आकर्षक है, तो बैक्टीरिया नली के अंदर तैरकर आते हैं; यदि यह विकर्षक है, तो वे उससे दूर रहते हैं। अतीत में, वैज्ञानिकों को घंटों इंतजार करना पड़ता था, फिर ट्यूब से तरल को पतला करना पड़ता था और कॉलोनियों की गिनती के लिए एक और दिन इंतजार करना पड़ता था। नया सिस्टम इस प्रतीक्षा के खेल को पूरी तरह समाप्त कर देता है। एक बार जब बैक्टीरिया को ट्यूब में तैरने का समय मिल जाता है, तो तरल को सीधे एक माइक्रोफ्लूडिक डिवाइस—एक चिप जिसमें सूक्ष्म चैनल होते हैं—में इंजेक्ट किया जाता है, जहाँ एक कैमरा और कंप्यूटर वास्तविक समय (real time) में प्रत्येक बैक्टीरिया को गिनते हैं। यह प्रक्रिया परिणाम प्राप्त करने के लिए आवश्यक समय को बारह घंटों से घटाकर केवल कुछ मिनटों में कर देती है।

टीम ने सबसे पहले इस काउंटिंग चिप का निर्माण और परीक्षण किया ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि यह विभिन्न परिस्थितियों में विश्वसनीय रूप से कार्य करे। उन्होंने विभिन्न आकार के चैनल बनाए और यह परीक्षण किया कि बैक्टीरिया विभिन्न गति से उनके माध्यम से कैसे चलते हैं। कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके, उन्होंने इन नन्ही नलियों के भीतर पानी के प्रवाह का मानचित्र तैयार किया, जिससे पुष्टि हुई कि प्रवाह की गति नाटकीय रूप रूप से बदलने पर भी उपकरण सटीक रूप से बैक्टीरिया की गिनती कर सकता है। उन्होंने पाया कि सिस्टम सटीक बना रहता था चाहे चैनल चौड़ा हो या संकरा, और तरल धीरे या तेज़ी से चल रहा हो। यह मजबूती अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका अर्थ है कि परिणाम मशीन की खामियों पर नहीं, बल्कि बैक्टीरिया के व्यवहार पर निर्भर करते हैं। जब उन्होंने ज्ञात आकर्षणओं (attractants) और विकर्षकों (repellents) के साथ इस उपकरण का परीक्षण किया, तो इसने सफलतापूर्वक मापा कि कितने बैक्टीरिया 'एस्पार्टेट' नामक रसायन की ओर बढ़े और कितने 'इंडोल' नामक पदार्थ से दूर रहे। परिणाम सुसंगत थे और पुराने तरीकों की तुलना में बहुत कम भिन्नता दर्शाते थे, जिससे शोधकर्ताओं को उन अंतरों को पहचानने में मदद मिली जो पहले प्रयोगात्मक शोर (experimental noise) के कारण छिपे हुए थे।

इस विश्वसनीय उपकरण के साथ, शोधकर्ताओं ने अपना ध्यान उन पदार्थों की ओर लगाया जिन्हें अभी तक अच्छी तरह से समझा नहीं गया था। उन्होंने विभिन्न धातु आयनों के प्रति बैक्टीरिया की प्रतिक्रिया का परीक्षण किया, जो एक ऐसा प्रश्न था जिसे पूरी तरह से नहीं खोजा गया था। उन्होंने पाया कि निकल एक शक्तिशाली विकर्षक के रूप में कार्य करता है, जिससे बैक्टीरिया उससे दूर तैरने लगते हैं। उन्होंने यह भी पाया कि जिंक उच्च सांद्रता पर एक विकर्षक के रूप में कार्य कर सकता है, लेकिन निम्न स्तर पर एक हल्के आकर्षण के रूप में भी कार्य कर सकता है। यह समझने के लिए कि बैक्टीरिया का कौन सा हिस्सा इन धातुओं को महसूस करने के लिए जिम्मेदार है, उन्होंने सामान्य बैक्टीरिया की तुलना एक उत्परिवर्तित (mutant) संस्करण से की जिसमें एक विशिष्ट रिसेप्टर प्रोटीन की कमी थी। उत्परिवर्तित बैक्टीरिया ने जिंक के प्रति प्रतिक्रिया तो दी, लेकिन निकल को महसूस करने की उनकी अधिकांश क्षमता समाप्त हो गई। इससे यह सिद्ध हुआ कि विशिष्ट रिसेप्टर निकल का पता लगाने के लिए आवश्यक था, लेकिन जिंक को महसूस करने के लिए नहीं, जिससे बैक्टीरिया के उनके रासायनिक संसार के साथ अंतःक्रिया करने के तरीके में विवरण की एक नई परत का पता चला।

इस तकनीक को और आगे बढ़ाने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक दूसरे संस्करण के उपकरण को डिजाइन किया जिसने नमूने को ट्यूब से काउंटर तक ले जाने की आवश्यकता को समाप्त कर दिया। इस एकीकृत प्रणाली में, संकीर्ण चैनल ही परीक्षण स्थल और गिनती स्टेशन दोनों के रूप में कार्य करता है। बैक्टीरिया सीधे एक जलाशय से चैनल में तैरते हैं, और कैमरा वास्तविक समय में उनकी गति को देखता है, बिना किसी बाहरी पंप या बहते पानी के व्यवधान के। इस सेटअप ने टीम को बैक्टीरिया की यात्रा को उसके घटित होते ही देखने की अनुमति दी, जिससे उनके प्रतिक्रिया के पहले क्षणों को कैद किया जा सका। उन्होंने देखा कि एक आकर्षण के संपर्क में आने के दस मिनट के भीतर ही बैक्टीरिया चैनल में जमा होने लगे, जो एक ऐसी गति थी जिसे पुराने तरीके कभी नहीं पकड़ सकते थे। इसके अलावा, इस प्रणाली ने उन्हें व्यक्तिगत बैक्टीरिया के पथ को ट्रैक करने की अनुमति दी, जिससे पता चला कि वे केवल बेतरतीब ढंग से नहीं भटकते बल्कि एक रासायनिक स्रोत की ओर स्पष्ट दिशा के साथ बढ़ते हैं।

यह कार्य प्रदर्शित करता है कि आधुनिक इमेजिंग तकनीक के साथ एक सरल, समय-परीक्षित पद्धति को जोड़कर, वैज्ञानिक बैक्टीरिया के व्यवहार को उस स्पष्टता और गति के साथ देख सकते हैं जो पहले असंभव थी। इस नए दृष्टिकोण के लिए जटिल उपकरणों या दिनों के इंतजार की आवश्यकता नहीं है, जिससे यह प्रयोगशालाओं की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए सुलभ हो जाता है। यह बैक्टीरिया के अपने संसार में नेविगेट करने के बारे में एक स्पष्ट, मात्रात्मक चित्र प्रदान करता है, चाहे वह सामान्य पोषक तत्वों के प्रति उनकी प्रतिक्रिया हो या धातु आयनों के प्रति उनकी प्रतिक्रिया। अतीत की देरी और विसंगतियों को हटाकर, यह विधि नए रासायनिक संकेतों की खोज करने और सूक्ष्म जीवन को निर्देशित करने वाले मौलिक नियमों को समझने के द्वार खोलती है।