Shotgun metagenomic profiling of bacterial microbiomes, metagenome-assembled genomes and antimicrobial resistance in respiratory and blood samples from Gambian children with pneumonia

निमोनिया दुनिया भर में छोटे बच्चों के लिए सबसे खतरनाक बीमारियों में से एक बना हुआ है, जो अक्सर इतनी तेजी से हमला करता है कि परिवार और डॉक्टर यह समझने के लिए संघर्ष करने लगते हैं कि वास्तव में इस संक्रमण का कारण क्या है। हालांकि हम जानते हैं कि बैक्टीरिया, वायरस और कवक (फंगी) सभी इस फेफड़ों की बीमारी को जन्म दे सकते हैं, लेकिन विशिष्ट अपराधी का पता लगाना कठिन है। मानव शरीर खरबों सूक्ष्म जीवों का घर है, जिसे माइक्रोबायोम नामक एक जटिल समुदाय कहा जाता है, जो हमारी त्वचा और हमारी नाक और फेफड़ों के अंदर रहता है। एक स्वस्थ अवस्था में, ये सूक्ष्मजीव अक्सर शांति से सह-अस्तित्व में रहते हैं, लेकिन जब संतुलन बिगड़ता है, तो इनमें से कुछ खतरनाक आक्रमणकारियों में बदल सकते हैं। दशकों से, वैज्ञानिक इन समुदायों का मानचित्र बनाने की कोशिश कर रहे हैं ताकि यह समझा जा सके कि वे बीमारी में कैसे योगदान देते हैं, लेकिन पारंपरिक तरीके अक्सर एक धुंधले कैमरे की तरह काम करते हैं, जो केवल व्यापक समूहों की पहचान करते हैं और उन विशिष्ट प्रजातियों या उपभेदों (स्ट्रेन्स) को प्रकट नहीं करते जो इसमें शामिल हैं। इसके अलावा, हमारा अधिकांश ज्ञान नाक या गले के स्वाब से आता है, जिससे हमारे फेफड़ों के भीतर क्या होता है और क्या बैक्टीरिया श्वसन मार्ग से रक्तप्रवाह में यात्रा कर सकते हैं ताकि प्रणालीगत बीमारी का कारण बन सकें, इसकी समझ में एक महत्वपूर्ण अंतर रह जाता है।

इस अंतर को पाटने के लिए, शोधकर्ताओं की एक टीम ने शॉटगन मेटाजेनोमिक्स नामक एक शक्तिशाली तकनीक का रुख किया। केवल एक विशिष्ट कीटाणु की तलाश करने के बजाय, यह विधि नमूने में मौजूद प्रत्येक एकल आनुवंशिक सामग्री को पढ़ती है, जिससे वैज्ञानिकों को उपस्थित जीवों के जीनोम को पुनर्ग reconstruct करने की अनुमति मिलती है, यहाँ तक कि उन्हें भी जिन्हें प्रयोगशाला में उगाया नहीं जा सकता। द गैम्बिया में गंभीर निमोनिया से अस्पताल में भर्ती बच्चों पर इस उच्च-रिज़ॉल्यूशन दृष्टिकोण को लागू करके, टीम नाक, गला, प्रेरित स्पुटम (induced sputum), फेफड़ों के तरल पदार्थ और रक्त में सूक्ष्मजीवी समुदायों को सीधे देखने में सक्षम थी। उनका कार्य संक्रमण के दौरान बैक्टीरिया के परिदृश्य का एक विस्तृत चित्र प्रस्तुत करता है, जो यह दर्शाता है कि शरीर के विभिन्न हिस्सों में कुछ ही प्रकार के बैक्टीरिया हावी होते हैं, और इन बैक्टीरिया के आनुवंशिक ब्लूप्रिंट में एंटीबायोटिक दवाओं के प्रति प्रतिरोध करने के लिए विशिष्ट निर्देश होते हैं।

यह अध्ययन 37 बच्चों पर केंद्रित था, जिनमें से अधिकांश लड़के थे, जिन्हें द गैम्बिया में गंभीर या बहुत गंभीर निमोनिया के साथ एक अस्पताल में भर्ती किया गया था। शोधकर्ताओं ने प्रत्येक बच्चे से कई प्रकार के नमूने एकत्र किए, जिनमें नाक और गले के स्वाब, फेफड़ों से प्रेरित स्पुटम, सीधे फेफड़े से निकाला गया तरल और रक्त शामिल थे। कुल मिलाकर, उन्होंने 71 नमूनों का विश्लेषण किया। शॉटगन मेटाजेनोमिक्स तकनीक का उपयोग करते हुए, उन्होंने नमूनों में मौजूद डीएनए को अनुक्रमित (sequence) किया, जिससे मानव आनुवंशिक सामग्री की विशाल मात्रा को छानकर केवल बैक्टीरिया के डीएनए पर ध्यान केंद्रित किया जा सके। इस प्रक्रिया से भारी मात्रा में डेटा प्राप्त हुआ, जिसमें प्रत्येक नमूने में लाखों आनुवंशिक रीड्स शामिल थे। डेटा को साफ करने के बाद, टीम ने इन आनुवंशिक टुकड़ों को पूर्ण या लगभग पूर्ण जीनोम में जोड़ने के लिए कंप्यूटर एल्गोरिदम का उपयोग किया, एक ऐसी प्रक्रिया जिसके परिणामस्वरूप 60 मध्यम-गुणवत्ता वाले जीनोम और 35 उच्च-गुणवत्ता वाले जीनोम प्राप्त हुए। ये पुनर्गठित जीनोम, जिन्हें मेटाजीनोम-असेंबल किए गए जीनोम (metagenome-assembled genomes) कहा जाता है, वैज्ञानिकों को इन प्रकार के नैदानिक नमूनों से पहले असंभव स्तर के विवरण के साथ विशिष्ट बैक्टीरिया की पहचान करने में सक्षम बनाया।

परिणामों ने इन बीमार बच्चों के भीतर बैक्टीरिया की दुनिया की एक स्पष्ट तस्वीर पेश की। नाक से लेकर रक्त तक, सभी विभिन्न शरीर स्थलों पर, दो प्रमुख बैक्टीरिया समूहों ने दृश्य पर कब्जा कर लिया: प्रोटियोबैक्टीरिया (Proteobacteria) और फर्मिक्यूट्स (Firmicutes)। इन समूहों के भीतर, तीन विशिष्ट प्रजातियां सबसे आम अपराधी थीं: स्ट्रेप्टोकोकस निमोनिया (Streptococcus pneumoniae), हेमोफिलस इन्फ्लुएंजा (Haemophilus influenzae) (और एक संबंधित प्रकार जिसे एगिप्टियस (aegyptius) कहा जाता है), और मोरेक्सा कैटारिस (Moraxella catarrhalis)। ये जाने-माने रोगजनक हैं जो अक्सर श्वसन संक्रमण का कारण बनते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि ये तीन बैक्टीरिया लगभग हर नमूना प्रकार में मौजूद थे, जो यह सुझाव देता है कि वे इन बच्चों में संक्रमण के प्राथमिक चालक हैं। दिलचस्प बात यह है कि बैक्टीरिया की संरचना इस बात पर थोड़ा निर्भर करती थी कि नमूना कहाँ से आया है। उदाहरण के लिए, मोरेक्सा कैटारिस विशेष रूप से स्पुटम नमूनों में प्रचुर मात्रा में था, जबकि हेमोफिलस प्रजातियां रक्त के नमूनों में सबसे आम थीं। इन विविधताओं के बावजूद, वही कुछ प्रजातियां लगातार सबसे प्रभावी थीं, जो गंभीर निमोनिया के दौरान श्वसन मार्ग और रक्तप्रवाह के बीच एक साझा सूक्ष्मजीवी हस्ताक्षर (microbial signature) का संकेत देती हैं।

सबसे दिलचस्प निष्कर्षों में से एक नाक के बैक्टीरिया और रक्त के बैक्टीरिया के बीच संबंध से संबंधित था। लंबे समय से यह माना जाता रहा है कि रक्त बाँझ (sterile) होता है, यानी बैक्टीरिया से मुक्त होता है, जब तक कि संक्रमण वहां तक न फैल जाए। हालांकि, आधुनिक अनुक्रमण (sequencing) ने दिखाया है कि रक्त के नमूनों में अक्सर बैक्टीरिया का डीएनए दिखाई देता है, हालांकि यह स्पष्ट नहीं था कि यह जीवित बैक्टीरिया का प्रतिनिधित्व करता है या केवल अवशेषों का। शोधकर्ताओं ने प्रत्येक बच्चे की नाक और गले में पाए गए बैक्टीरिया की प्रजातियों की तुलना उनके रक्त में पाई गई प्रजातियों से की। उन्होंने पाया कि एक ही बच्चे के नाक और रक्त के नमूनों में संयोग से कहीं अधिक समानता थी। विशेष रूप से, नाक और रक्त के बैक्टीरिया की प्रजातियां लगभग 58 प्रतिशत बार मेल खाती थीं, जो कि एक स्तर था जो काफी अधिक था यदि नमूनों को यादृच्छिक रूप से जोड़ा गया होता। यह ऊपरी वायुमार्ग और रक्तप्रवाह के बीच एक विशिष्ट संबंध का सुझाव देता है, जो संकेत देता है कि रक्त में पाए जाने वाले बैक्टीरिया वास्तव में श्वसन मार्ग से उत्पन्न हो सकते हैं, हालांकि शोधकर्ताओं ने नोट किया है कि यह पुष्टि करने के लिए कि क्या वे जीवित जीव हैं या केवल आनुवंशिक अवशेष, आगे की जांच की आवश्यकता है।

पहचानने से परे, अध्ययन ने उन आनुवंशिक हथियारों को भी देखा जिनका उपयोग ये सूक्ष्मजीव करते हैं, विशेष रूप से विभिन्न दवाओं के प्रति उनके प्रतिरोध की क्षमता। शोधकर्ताओं ने पुनर्निर्मित उच्च-गुणवत्ता वाले जीनोमों की जांच की ताकि उन जीन को खोजा जा सके जो विभिन्न दवाओं के प्रति प्रतिरोध प्रदान करते हैं। उन्होंने पाया कि ये प्रतिरोध जीन उस प्रकार के बैक्टीरिया के लिए अत्यधिक विशिष्ट थे जो उन्हें ले जा रहे थे। पहचाने गए अद्वितीय प्रतिरोध जीनों में से 70 प्रतिशत से अधिक केवल एक विशिष्ट बैक्टीरिया प्रजाति में पाए गए और विभिन्न प्रकार के बैक्टीरिया के बीच साझा नहीं किए गए थे। उदाहरण के लिए, सभी स्ट्रेप्टोकोकस निमोनिया जीनोम में विशिष्ट जीन थे जो एंटीबायोटिक दवाओं को कोशिका से बाहर पंप करने में मदद करते हैं, जबकि सभी मोरेक्सा कैटारिस जीनोम में एक जीन था जो एक विशिष्ट वर्ग की एंटीबायोटिक दवाओं के प्रति प्रतिरोध प्रदान करता है। यह विशिष्टता बताती है कि बैक्टीरिया अपने पड़ोसियों के साथ इन जीनों का स्वतंत्र रूप से आदान-प्रदान करने के बजाय अपने स्वयं के अद्वितीय रक्षा तंत्र विकसित कर रहे हैं। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि कुछ प्रतिरोध जीन, जैसे कि हेमोफिलस बैक्टीरिया में पाए जाने वाले फेफड़ों के तरल पदार्थ में, फेफड़ों के कठोर वातावरण में जीवित रहने में मदद कर सकते हैं, जिससे वे संभावित रूप से अधिक आक्रामक बन सकते हैं।

अध्ययन में बैक्टीरिया की एक संभावित नई प्रजाति का भी पता चला। पुनर्प्राप्त उच्च-गुणवत्ता वाले जीनोमों में से एक 'लिमोसिलैक्टोबैसिलस' (Limosilactobacillus) नामक वंश (genus) से संबंधित था, लेकिन यह मौजूदा आनुवंशिक डेटाबेस में किसी भी ज्ञात प्रजाति से इतनी निकटता से मेल नहीं खाता था कि उसे वर्गीकृत किया जा सके। आनुवंशिक समानता इतनी कम थी कि उसे कोई विशिष्ट नाम नहीं दिया जा सका, जो सुझाव देता है कि यह एक पहले से अज्ञात प्रजाति हो सकती है जो मानव श्वसन मार्ग में रहती है। यह खोज पारंपरिक लैब कल्चर द्वारा छोड़े गए सूक्ष्मजीवों को खोजने में उन्नत अनुक्रमण के महत्व को रेखांकित करती है। इसके अतिरिक्त, शोधकर्ताओं ने अपने निष्कर्षों की तुलना दुनिया के अन्य हिस्सों के बड़े मौजूदा श्वसन बैक्टीरिया कैटलॉग के साथ की। जबकि उनके द्वारा पाए गए अधिकांश बैक्टीरिया पहले से ज्ञात थे, उनके कुछ जीनोम कैटलॉग में मौजूद किसी भी चीज़ से मेल नहीं खाते थे, जो इस विचार को पुख्ता करता है कि वैश्विक श्वसन स्वास्थ्य की पूर्ण समझ के लिए द गैम्बिया जैसे कम प्रतिनिधित्व वाले क्षेत्रों के अध्ययन करना महत्वपूर्ण है।

इन विस्तृत निष्कर्षों के बावजूद, शोधकर्ता अपने काम की सीमाओं को नोट करने में सावधानी बरतते रहे। अध्ययन में बच्चों की संख्या अपेक्षाकृत कम थी, जो इस बात को सीमित करती है कि उनके परिणामों को निमोनिया वाले सभी बच्चों पर कितनी व्यापक रूप से लागू किया जा सकता है। उन्होंने यह भी बताया कि नमूने बहुत गंभीर बीमारी वाले बच्चों से लिए गए थे, इसलिए निष्कर्ष उन बच्चों पर लागू नहीं हो सकते जिन्हें कम गंभीर मामले हैं। इसके अलावा, चूंकि नमूने शरीर के विभिन्न हिस्सों से अलग-अलग तरीकों से लिए गए थे, इसलिए यह निश्चित रूप से कहना कठिन है कि बैक्टीरिया समुदायों में अंतर शरीर में स्थान के कारण था या नमूनों को संसाधित करने के तरीके के कारण। शोधकर्ताओं ने यह भी स्वीकार किया कि वे यह साबित नहीं कर सके कि उनके द्वारा पता लगाए गए बैक्टीरिया जीवित और सक्रिय थे या केवल मृत अवशेष थे, क्योंकि उनकी विधि केवल आनुवंशिक सामग्री का पता लगाती है। फिर भी, अध्ययन बीमार बच्चों के भीतर बैक्टीरिया की दुनिया का एक शक्तिशाली नया दृष्टिकोण प्रदान करता है, जो शामिल रोगजनकों का एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन मानचित्र और उनके आनुवंशिक बचाव पेश करता है।

अंत में, यह शोध बीमार बच्चों के फेफड़ों के भीतर लड़ रहे अदृश्य दुश्मनों की एक स्पष्ट तस्वीर पेश करता है। नाक, फेफड़ों और रक्त में बैक्टीरिया को सीधे देखने के लिए उन्नत आनुवंशिक उपकरणों का उपयोग करके, वैज्ञानिकों ने पुष्टि की है कि इस आबादी में गंभीर निमोनिया के अधिकांश मामलों के लिए कुछ प्रमुख प्रजातियां जिम्मेदार हैं। उन्होंने दिखाया है कि ये बैक्टीरिया एंटीबायोटिक दवाओं के प्रति विशिष्ट, प्रजाति-स्तर के बचाव रखते हैं, और ऊपरी वायुमार्ग और रक्त में पाए जाने वाले बैक्टीरिया के बीच एक मजबूत संबंध है। ये अंतर्दृष्टि भविष्य के अध्ययनों के लिए एक मूल्यवान संसाधन प्रदान करती है, जो बेहतर उपचार और टीकों के विकास के मार्गदर्शन में मदद करती है। एक संभावित नई बैक्टीरिया प्रजाति की खोज और प्रतिरोध जीन का विस्तृत कैटलॉग इन संक्रमणों के काम करने के तरीके को समझने के लिए एक आधार के रूप में कार्य करता है, जो द गैम्बिया और उसके आगे निमोनिया से पीड़ित बच्चों के लिए अधिक लक्षित और प्रभावी देखभाल का मार्ग प्रशस्त करता है।