An AI-assisted genomic census of 193,342 assemblies finds a GFP-barrel family in unreported lineages, carrying pseudogenes in both fungi and cnidarians

पृथ्वी पर जीवन एक विशाल, अदृश्य आनुवंशिक निर्देशों के पुस्तकालय पर निर्भर है, एक ऐसा कोड जो चार रासायनिक अक्षरों में लिखा गया है जो प्रत्येक कोशिका को यह बताता है कि उसे खुद का निर्माण कैसे करना है। दशकों से, वैज्ञानिकों ने इस कोड के उन हिस्सों पर ध्यान केंद्रित किया है जो सक्रिय, काम करने वाले प्रोटीन का उत्पादन करते हैं, वे आणविक मशीनें जो पाचन से लेकर दृष्टि तक सब कुछ संचालित करती हैं। लेकिन जीनोम का एक महत्वपूर्ण हिस्सा अक्सर "जंक" (कचरा) मानकर खारिज कर दिया जाता है, जिसमें टूटे हुए या अधूरे निर्देश होते हैं जो अब कार्य नहीं करते हैं। समुद्री जीव विज्ञान की दुनिया में, सबसे प्रसिद्ध आनुवंशिक खोजों में से एक ग्रीन फ्लोरोसेंट प्रोटीन (हरा चमकने वाला प्रोटीन) है, एक ऐसा अणु जो अंधेरे में चमकता है और प्रयोगशाला में कोशिकाओं को काम करते हुए देखने के लिए एक मानक उपकरण बन गया है। यह प्रोटीन एक मजबूत, बैरल (पीपे) जैसे आकार में मुड़ता है जो एक चमकते हुए रासायनिक केंद्र को अपने भीतर कैद कर लेता है। वर्षों तक, शोधकर्ताओं का मानना था कि यदि यह बैरल आकार चमकते हुए केंद्र के बिना मौजूद है, तो यह संभवतः विकास का एक टूटा हुआ, बेकार अवशेष है।

हालाँकि, एक नया अध्ययन पहले से कहीं अधिक गहराई से आनुवंशिक कोड की जांच करके इस धारणा को चुनौती देता है। ज्ञात, काम करने वाले प्रोटीनों की सूची पर निर्भर रहने के बजाय, शोधकर्ताओं ने लगभग दो लाख अलग-अलग जीवों के कच्चे आनुवंशिक ब्लूप्रिंट (खाकों) को स्कैन किया। वे एक विशिष्ट, छिपे हुए पैटर्न की तलाश में थे: एक बैरल के आकार का प्रोटीन जिसने चमकने वाले प्रोटीन की जटिल आंतरिक मशीनरी को तो बनाए रखा, लेकिन स्वयं चमकने वाले हिस्से को खो दिया। उन्होंने पाया कि इन गैर-चमकने वाले बैरल्स का एक व्यापक परिवार मौजूद है, जो अपने भीतर एक विशिष्ट विद्युत आवेशों (इलेक्ट्रिकल चार्जेस) का नेटवर्क रखता है, और ऐसे जीवन वंशों में मौजूद है जिन पर कभी इनके होने का संदेह नहीं किया गया था। यह अध्ययन प्रकट करता है कि ये प्रोटीन केवल यादृच्छिक आनुवंशिक अवशेष नहीं हैं; कई मामलों में, इन्हें विकास द्वारा सावधानीपूर्वक संरक्षित किया जा रहा है, जो यह संकेत देता है कि वे अंधेरे में एक महत्वपूर्ण, किंतु अभी तक अज्ञात कार्य कर रहे हैं।

अनुसंधान एक सरल लेकिन विशाल प्रश्न के साथ शुरू हुआ: इस विशिष्ट परिवार के बैरल प्रोटीन जीवन के वृक्ष (ट्री ऑफ लाइफ) में कितनी दूर तक फैले हुए हैं? पिछले अध्ययनों ने केवल उन प्रोटीनों को देखा था जिन्हें कोशिकाओं ने पहले ही बना और सूचीबद्ध कर लिया था, जिससे वे आनुवंशिक निर्देश छूट गए जो टूटे हुए या अधूरे थे। पूरी तस्वीर पाने के लिए, टीम ने एक कंप्यूटर-सहायता प्राप्त खोज का उपयोग किया जिसने हर संभव दिशा में 193,342 विभिन्न जीनोम असेंबली के डीएनए को पढ़ा। इस दृष्टिकोण ने उन्हें उन आनुवंशिक अनुक्रमों को पहचानने की अनुमति दी जो बैरल प्रोटीन जैसे दिखते थे, भले ही उनमें ऐसी त्रुटियां हों जो कोशिका को अंतिम उत्पाद बनाने से रोक दें। इस खोज ने जीनोम में लगभग चार सौ स्थानों को वापस लौटाया जो उस पैटर्न से मेल खाते थे। जब शोधकर्ताओं ने इन परिणामों को छानकर उन लोगों को खोजा जिनमें बैरल के भीतर का पूर्ण, छिपा हुआ विद्युत नेटवर्क मौजूद था, तो उन्होंने 140 विशिष्ट स्थानों की पहचान की। ये स्थान 77 विभिन्न प्रकार के जीवों से संबंधित थे, जिससे इस प्रोटीन परिवार की ज्ञात सीमा काफी बढ़ गई।

इन नई खोजों में वे जीव भी शामिल थे जिन्हें पहले कभी इस परिवार से नहीं जोड़ा गया था। खोज ने इन बैरल प्रोटीनों को स्पंज के प्राचीन समूहों, कोरोनेटेट नामक जेलीफ़िश के एक प्रकार, और यहाँ तक कि आर्किया (archaea) नामक एककोशिकीय जीवों में भी खोज निकाला जो चरम वातावरण में रहते हैं। शायद सबसे आश्चर्यजनक रूप से, टीम ने इन प्रोटीनों को कवक (फंगी) में पाया, जो जीवों का एक समूह है जिसमें मशरूम और मोल्ड शामिल हैं। कवक के नमूनों में, शोधकर्ताओं ने पाया कि इन आनुवंशिक निर्देशों की एक बड़ी संख्या टूटी हुई थी, जिनमें ऐसी त्रुटियां थीं जो उन्हें काम करने से रोक सकती थीं। टूटी हुई प्रतियों का यह पैटर्न जेलीफ़िश और मूंगा (कोरल) के रिश्तेदारों में भी देखा गया, जिससे पता चलता है कि जहाँ यह प्रोटीन कुछ वंशों में उपयोगी है, वहीं अन्य में यह बिखर रहा है। अध्ययन ने एक विकासवादी पुनर्निर्माण पद्धति का उपयोग करके दिखाया कि ब्लैक मोल्ड्स के एक विशिष्ट समूह में, यह जीन कई बार स्वतंत्र रूप से लुप्त हुआ है, जो यह दर्शाता है कि यह उनके अस्तित्व के लिए आवश्यक नहीं है।

टूटी हुई प्रतियों के बावजूद, जीनोम के जो हिस्से बरकरार रहे, उन्होंने एक अलग कहानी सुनाई। उन जीवों में जहाँ जीन अभी भी पूर्ण था, डीएनए ने अपरिवर्तित रहने के लिए सख्त विकासवादी दबाव के संकेत दिए। इसका अर्थ है कि प्रोटीन की संरचना में किसी भी यादृच्छिक परिवर्तन को प्राकृतिक चयन द्वारा हटा दिया गया था, जो एक मजबूत संकेत है कि प्रोटीन कुछ महत्वपूर्ण कार्य कर रहा है। एक प्रकार के मूंगे (कोरल) में, यह जीन लगातार ग्यारह बार कॉपी किया गया था, जो एक संकेत है कि जीव इस पर बहुत अधिक निर्भर है। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि बैक्टीरिया के दो अलग-अलग समूहों में, ये बैरल जीन मोबाइल जेनेटिक तत्वों के भीतर स्थित थे, जैसे कि बैक्टीरिया को संक्रमित करने वाले वायरस या जीनोम में घूमने वाले 'जंपिंग जींस'। यह सुझाव देता है कि यह जीन विभिन्न बैक्टीरिया प्रजातियों के बीच घूम सकता है, एक ऐसी प्रक्रिया जो इसे नए वातावरण में फैलने में मदद कर सकती है।

अध्ययन ने इन प्रोटीनों की विशिष्ट रासायनिक संरचना की भी बारीकी से जांच की। प्रसिद्ध चमकने वाले प्रोटीन में, प्रकाश उत्पन्न करने के लिए टायरोसिन नामक एक विशिष्ट अमीनो एसिड आवश्यक है। इस नव-खोजे गए परिवार में, उस टायरोसिन को विभिन्न, गैर-चमकने वाले अमीनो एसिड द्वारा बदल दिया गया है। कवक और बैक्टीरिया के संस्करणों में, वह स्थान आमतौर पर वेलिन (valine) द्वारा भरा जाता है, जबकि जानवरों के संस्करणों में, यह अक्सर फेनिलएलनिन (phenylalanine) होता है। यह सुसंगत प्रतिस्थापन बताता है कि प्रोटीन ने एक नया कार्य विकसित किया है जिसमें प्रकाश का कोई संबंध नहीं है। शोधकर्ताओं ने आंतरिक विद्युत आवेशों के बीच की दूरी को मापा और पाया कि इस परिवार में व्यवस्था चमकने वाले प्रोटीनों से भिन्न है, जो इस बात की पुष्टि करती है कि यह एक अनूठा समूह है। हालांकि इन प्रोटीनों का सटीक कार्य अभी भी एक रहस्य बना हुआ है, लेकिन यह प्रमाण कि उन्हें कुछ प्रजातियों में संरक्षित किया जा रहा है और दूसरों में खो दिया गया है, एक विशिष्ट भूमिका की ओर इशारा करता है जो जीवन के वृक्ष में भिन्न होती है।

सबसे दिलचस्प निष्कर्षों में से एक उन जीवों की उपस्थिति थी जिनमें उनके प्रोटीन कैटलॉग में ये प्रोटीन नहीं हैं। क्योंकि खोज ने सीधे डीएनए को देखा था, इसने उन आनुवंशिक निर्देशों को खोज निकाला जिन्हें पारंपरिक तरीकों से छोड़ दिया गया था। उदाहरण के लिए, अध्ययन ने इन बैरल्स को सूक्ष्म शैवाल के एक समूह में पाया जो अन्य समुद्री जीवों के भीतर रहते हैं, और एक प्रकार के स्पंज में भी, जिसके बारे में पहले कभी रिपोर्ट नहीं की गई थी कि वे इन्हें धारण करते हैं। शोधकर्ताओं ने यह सुनिश्चित करने के लिए कई जाँचों का उपयोग किया कि ये अन्य जीवों के संदूषक (contaminants) नहीं हैं, ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि जीन वास्तव में मेजबान के ही हैं। उन्होंने यह भी पाया कि कुछ मामलों में, जीन की टूटी हुई प्रतियों को कोशिका द्वारा पढ़ा जा रहा था, भले ही वे एक कार्यात्मक प्रोटीन नहीं बना सकते थे, जो यह जोड़ता है कि इन आनुवंशिक निर्देशों का उपयोग कैसे किया जाता है।

यह कार्य इस दावे के साथ नहीं आता कि इसने इन प्रोटीनों के कार्य के रहस्य को सुलझा लिया है। इसके बजाय, यह एक स्पष्ट मानचित्र प्रदान करता है कि वे कहाँ पाए जाते हैं और समय के साथ कैसे बदल रहे हैं। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि अगला कदम वास्तव में इन प्रोटीनों को प्रयोगशाला में बनाना और यह परीक्षण करना है कि वे किस प्रकार की रासायनिक प्रतिक्रियाएं कर सकते हैं। तब तक, यह अध्ययन एक शक्तिशाली प्रदर्शन के रूप में खड़ा है कि कैसे केवल तैयार उत्पादों के बजाय सीधे कच्चे आनुवंशिक कोड को देखना, विकास के इतिहास के छिपे हुए अध्यायों को प्रकट कर सकता है। यह दर्शाता है कि प्रकृति अक्सर जटिल आणविक मशीनों को तब भी बनाए रखती है जब वे अपना मूल कार्य खो देती हैं, और उन्हें दुनिया के अंधेरे कोनों में नई, अनदेखी भूमिकाओं के लिए पुन: उपयोग करती है।