Comparative genome and protein analysis of Deinococcus radiodurans on heavy metal and radiation resistance

सूक्ष्म जगत में, कुछ बैक्टीरिया असंभव परिस्थितियों में जीवित रहने के लिए बने होते हैं। वे उबलते गर्म झरनों में फलते-फूलते हैं, अंटार्कटिक मिट्टी की जमा देने वाली ठंड को सहन करते हैं, और सबसे प्रसिद्ध रूप से, विकिरण (रेडिएशन) के उन स्तरों का सामना करते हैं जो लगभग किसी भी अन्य जीवित चीज़ के डीएनए को तुरंत नष्ट कर सकते हैं। यह लचीलापन 'डीनोकोकस' (Deinococcus) नामक बैक्टीरिया के एक समूह से संबंधित है, जिसमें एक प्रजाति, डीनोकोकस रेडियोड्यूरन्स (Deinococcus radiodurans), जीवित रहने के चैंपियन के रूप में उभरती है। ये जीव केवल क्षति का विरोध नहीं करते; उनके पास एक परिष्कृत आंतरिक मरम्मत प्रणाली है जो उनके बिखरे हुए आनुवंशिक कोड को फिर से जोड़ने में सक्षम है, ठीक वैसे ही जैसे एक लाइब्रेरियन एक बम विस्फोट से तबाह हुई लाइब्रेरी को टुकड़ों-टुकड़ों में फिर से व्यवस्थित करता है, जब तक कि किताबें फिर से पठनीय न हो जाएं। वैज्ञानिक लंबे समय से इस बात का अध्ययन कर रहे हैं कि यह बैक्टीरिया विकिरण से कैसे बचता है, लेकिन यह पूरी तरह से समझना कि यह भारी धातुओं (heavy metals) का भी विरोध कैसे करता है और अपने निकटतम विकासवादी चचेरे भाइयों से कैसे संबंधित है, अभी भी अधूरा रहा है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन कमियों को भरने के उद्देश्य से डीनोकोकस रेडियोड्यूरन्स के आनुवंशिक ब्लूप्रिंट का एक गहरा, तुलनात्मक अध्ययन करने का निर्णय लिया। केवल एक पेट्री डिश में बैक्टीरिया का अवलोकन करने के बजाय, उन्होंने इसके संपूर्ण जीनोम के डिजिटल रिकॉर्ड की ओर रुख किया—जो निर्देशों का वह पूर्ण सेट है जो कोशिका को खुद को बनाने और बनाए रखने के निर्देश देता है। इस प्रसिद्ध विकिरण-प्रतिरोधी स्ट्रेन के डीएनए की तुलना पांच अन्य संबंधित प्रजातियों के साथ करके, वैज्ञानिकों का लक्ष्य इसके पारिवारिक वृक्ष (फैमिली ट्री) को अधिक सटीकता से मैप करना और उन विशिष्ट आनुवंशिक उपकरणों की पहचान करना था जो इसे जहरीली भारी धातुओं का सामना करने में सक्षम बनाते हैं। उनका कार्य आधुनिक कम्प्यूटेशनल विधियों पर आधारित था जो संपूर्ण जीनोम के बीच समानता को मापते हैं, जो केवल एकल जीन को देखने की तुलना में विकासवादी संबंधों की अधिक स्पष्ट तस्वीर पेश करते हैं।

शोधकर्ताओं ने डीनोकोकस रेडियोड्यूरन्स और इसके पांच अन्य रिश्तेदारों के पूर्ण आनुवंशिक अनुक्रमों (genetic sequences) को एकत्र करके शुरुआत की, जिनमें रेगिस्तानों और गर्म झरनों में पाई जाने वाली प्रजातियां भी शामिल थीं। उन्होंने सबसे पहले इनके जीनोम के समग्र आकार और संरचना की जांच की। जिस स्ट्रेन पर उन्होंने ध्यान केंद्रित किया, जिसे डीनोकोकस रेडियोड्यूरन्स R1 DSM 20539T के रूप में जाना जाता है, पाया गया कि इसकी कुल लंबाई 3,279,598 बेस पेयर्स (base pairs) थी, जिसका रासायनिक संयोजन लगभग दो-तिहाई ग्वानिन (guanine) और साइटोसिन (cytosine) है। इस आनुवंशिक कोड के भीतर, कंप्यूटर विश्लेषण ने प्रोटीन बनाने के लिए 3,220 निर्देश और RNA अणुओं के लिए 57 निर्देश पहचाने, जो कोशिका के भीतर संदेशवाहक और संरचनात्मक घटकों के रूप में कार्य करते हैं। टीम ने यह भी नोट किया कि इस विशिष्ट स्ट्रेन का जीनोम तुलना किए गए छह प्रजातियों में सबसे छोटा है, जबकि एक अन्य प्रजाति, डीनोकोकस गोबीन्सिस (Deinococcus gobiensis), का जीनोम सबसे बड़ा था।

यह समझने के लिए कि ये बैक्टीरिया एक-दूसरे से कितने निकटता से संबंधित हैं, वैज्ञानिकों ने उनके आनुवंशिक कोड की तुलना एक ऐसी विधि से की जो दो संपूर्ण जीनोम के बीच औसत समानता की गणना करती है। यह दृष्टिकोण एक एकल जीन की तुलना करने की तुलना में अधिक विश्वसनीय है क्योंकि यह पूरी तस्वीर देखता है। परिणामों ने दिखाया कि हालांकि सभी छह प्रजातियां एक ही वंश (genus) से संबंधित हैं, फिर भी वे इतनी अलग हैं कि उन्हें अलग प्रजातियों के रूप में माना जा सकता है। मुख्य अध्ययन किए गए स्ट्रेन का सबसे करीबी संबंधी डीनोकोकस वुलुमुकीन्सिस (Deinococcus wulumuqiensis) था। दोनों के बीच 85.60 प्रतिशत की आनुवंशिक समानता थी, जो परीक्षण किए गए सभी जोड़ों में उच्चतम स्कोर है। दिलचस्प बात यह है कि जबकि एक अन्य प्रजाति, डीनोकोकस डेज़ेर्टी (Deinococcus deserti), ने पहचान के लिए उपयोग किए जाने वाले एक विशिष्ट जीन में सटीक मिलान दिखाया था, संपूर्ण जीनोम तुलना ने सिद्ध किया कि यह डीनोकोकस वुलुमुकीन्सिस जितना निकट संबंधी नहीं था। यह अंतर महत्वपूर्ण है क्योंकि यह दर्शाता है कि आनुवंशिक कोड के केवल एक हिस्से को देखना कभी-कभी भ्रामक हो सकता है, जबकि संपूर्ण जीनोम की तुलना अधिक सटीक पारिवारिक इतिहास प्रदान करती है।

अध्ययन ने अपना ध्यान उन विशिष्ट जीनों पर भी लगाया जो इन बैक्टीरिया को भारी धातु विषाक्तता से बचने में सक्षम बनाते हैं। भारी धातुएं जैसे टेल्यूरियम (tellurium) अधिकांश जीवन रूपों के लिए जहरीली होती हैं, फिर भी डीनोकोकस रेडियोड्यूरन्स उन्हें सहन कर सकता है। आनुवंशिक निर्देशों की पुन: जांच करके, शोधकर्ताओं ने पाया कि इस बैक्टीरिया में एक विशिष्ट जीन की चार अलग-अलग प्रतियां हैं जो टेल्यूरियम का विरोध करने के लिए डिज़ाइन किए गए प्रोटीन का उत्पादन करती हैं। एक ही सुरक्षात्मक जीन की कई प्रतियां होने का अर्थ है एक मजबूत रक्षा रणनीति, जो संभावित रूप से जीव को जहरीले वातावरण का सामना करने में और भी अधिक लचीला बनाती है। टीम ने विकिरण और निर्जलीकरण (drying out) का विरोध करने वाले एक प्रोटीन के लिए एक त्रि-आयामी (3D) मॉडल भी बनाया, जो समान प्रोटीनों की ज्ञात संरचनाओं के आधार पर उसके भौतिक आकार को प्रकट करता है। यह दृश्य मॉडल वैज्ञानिकों को यह समझने में मदद करता है कि ये आणविक मशीनें कोशिका की रक्षा करने के लिए कैसे कार्य कर सकती हैं।

अंततः, यह शोध पुष्टि करता है कि डीनोकोकस रेडियोड्यूरन्स सबसे निकट से डीनोकोकस वुलुमुकीन्सिस से संबंधित है, जो उनके समग्र आनुवंशिक गठन और उनके विकासवादी इतिहास द्वारा समर्थित है। यह अध्ययन इस तथ्य को उजागर करता है कि इन बैक्टीरिया की चरम स्थितियों में जीवित रहने की क्षमता एक जटिल टूलकिट द्वारा समर्थित है, जिसमें भारी धातुओं से लड़ने के लिए समर्पित जीनों की कई प्रतियां शामिल हैं। हालांकि यह अभी भी खोजा जा रहा है कि ये प्रोटीन कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, इन आनुवंशिक डुप्लिकेट्स की पहचान ने एक ठोस सुराग प्रदान किया है कि प्रकृति इस तरह के अत्यधिक स्थायित्व को कैसे इंजीनियर करती है। यह कार्य विकिरण प्रतिरोध के रहस्य को पूरी तरह से सुलझाने का दावा नहीं करता है, लेकिन यह आनुवंशिक परिदृश्य का एक स्पष्ट और अधिक विस्तृत मानचित्र प्रदान करता है जो इस उल्लेखनीय जीव को वहां फलने-फूलने में सक्षम बनाता है जहां अन्य नहीं कर पाते।