Conserved Vibrio Repeats (VXRs) mediate horizontal transfer of superintegron-associated antibiotic resistance genes across Vibrio species

बैक्टीरिया लगातार जेनेटिक पैकेज का व्यापार करते रहते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक लाइब्रेरी में किताबें उधार ली जाती हैं, कॉपी की जाती हैं और विभिन्न शाखाओं के बीच भेजी जाती हैं। इनमें सबसे अधिक सक्रिय व्यापारी Vibrio वंश (genus) के बैक्टीरिया हैं, जो एक विविध समूह है जिसमें समुद्री जल, समुद्री भोजन और कभी-कभी मानव संक्रमणों में पाए जाने वाले प्रजातियां शामिल हैं। इन बैक्टीरिया में 'सुपरइंटीग्रोन' (superintegron) नामक एक अनूठी जेनेटिक विशेषता होती है। सुपरइंटीग्रोन को बैक्टीरिया के अपने डीएनए में बने एक विशाल, स्थिर संग्रह (archive) के रूप में समझें, जो सैकड़ों या हजारों छोटे जेनेटिक यूनिट्स को रखने में सक्षम है जिन्हें 'कैसेट्स' (cassettes) कहा जाता है। जबकि इनमें से कुछ कैसेट्स बैक्टीरिया को कठोर वातावरण में जीवित रहने में मदद करते हैं, अन्य एंटीबायोटिक प्रतिरोध के लिए निर्देश ले जाते हैं। दशकों से, वैज्ञानिक जानते थे कि ये संग्रह मौजूद हैं, लेकिन वे यह समझने में संघर्ष कर रहे थे कि इन संग्रहों के भीतर मौजूद प्रतिरोध जीन बैक्टीरिया की विभिन्न प्रजातियों के बीच कैसे चलते हैं। क्या ये जीन किसी एक वंश रेखा के भीतर बंद रहते हैं, या वे बैक्टीरिया की दुनिया में स्वतंत्र रूप से घूमते हैं?

ब्राजील के इंस्टिट्यूटो ओस्वाल्डो क्रूज़ के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस गति का बड़े पैमाने पर मानचित्रण किया है, जिससे यह खुलासा हुआ है कि एंटीबायोटिक प्रतिरोध का आदान-प्रदान पहले की तुलना में कहीं अधिक व्यापक और व्यवस्थित है। 181 अलग-अलग प्रजातियों का प्रतिनिधित्व करने वाले लगभग 38,000 बैक्टीरियल जीनोम का विश्लेषण करके, वैज्ञानिकों ने पाया कि एंटीबायोटिक प्रतिरोध के लिए जिम्मेदार जीन बेतरतीब ढंग से बिखरे हुए नहीं हैं। इसके बजाय, वे विशिष्ट जेनेटिक "बैकबोन" (backbones) पर ले जाए जाते हैं जो कई अलग-अलग प्रजातियों में साझा किए जाते हैं, यहाँ तक कि उन प्रजातियों में भी जो विकासवादी रूप से भिन्न हैं। अध्ययन बताता है कि Vibrio की एक विशिष्ट समूह, जिसे 'कोलेरा क्लेड' (Cholera clade) के रूप में जाना जाता है, एक प्राथमिक स्रोत के रूप में कार्य करता है, जो इन प्रतिरोध जीनों को उत्पन्न करता है और अन्य प्रजातियों में वितरित करता है।

शोधकर्ताओं ने इन जेनेटिक कैसेट्स के किनारों को देखकर शुरुआत की। एक सुपरइंटीग्रोन में प्रत्येक कैसेट 'विब्रियो स्पीशीज रिपीट्स' (Vibrio species repeats) या VXR नामक डीएनए के छोटे, दोहराव वाले अनुक्रमों (sequences) से घिरा होता है। ये रिपीट्स बाइंडिंग साइट्स के रूप में कार्य करते हैं जो बैक्टीरियल मशीनरी को एक कैसेट को बाहर निकालने और उसे एक नई जगह पर पेस्ट करने की अनुमति देते हैं। टीम ने पहले 47 प्रतिनिधि जीनोम से 531 अद्वितीय प्रकार के इन रिपीट्स की पहचान की। फिर उन्होंने इन रिपीट्स को एक खोज उपकरण के रूप में उपयोग किया ताकि 37,812 जीनोम के पूरे संग्रह को स्कैन किया जा सके और उन एंटीबायोटिक प्रतिरोध जीनों को खोजा जा सके जो इन विशिष्ट अनुक्रमों से घिरे हुए थे। इस विशाल स्क्रीनिंग ने 8,523 जीनोम में फैले 8,717 संभावित प्रतिरोध कैसेट्स को उजागर किया।

परिणाम चौंकाने वाले थे। इन बैक्टीरियल आर्काइव्स में पाए गए विविध रिपीट्स के बावजूद, प्रतिरोध जीन लगभग विशेष रूप से रिपीट्स के एक बहुत ही छोटे, अत्यधिक संरक्षित सेट से जुड़े थे। पाए गए हजारों कैसेट्स में से, अधिकांश हिस्से केवल आठ विशिष्ट प्रकार के रिपीट्स से जुड़े थे। ये आठ प्रकार एक-दूसरे के लगभग समान थे और ऐसी प्रजातियों में दिखाई दिए जो आपस में निकट संबंधी नहीं हैं, जैसे कि Vibrio cholerae, Vibrio mimicus, और Vibrio parahaemolyticus। यह पैटर्न सुझाव देता है कि ये जीन केवल प्रत्येक प्रजाति में स्वतंत्र रूप से विकसित नहीं हो रहे थे, बल्कि उनके बीच घूम रहे थे। इसकी पुष्टि करने के लिए, शोधकर्ताओं ने रिपीट्स के फैमिली ट्री (वंश वृक्ष) की तुलना बैक्टीरिया के स्वयं के फैमिली ट्री से की। दोनों पेड़ मेल नहीं खाते थे; रिपीट्स दूर की प्रजातियों के बीच निकट संबंधी प्रजातियों की तुलना में अधिक समान थे। यह 'हॉरिजॉन्टल ट्रांसफर' (horizontal transfer) का एक क्लासिक संकेत है, जहाँ जेनेटिक सामग्री माता-पिता से संतान को विरासत में मिलने के बजाय प्रजातियों की बाधाओं को पार कर जाती है।

अध्ययन ने इस प्रवाह की दिशा की ओर भी इशारा किया। अपने स्वयं के आर्काइव्स के भीतर इन विशिष्ट रिपीट्स की सबसे अधिक प्रतियां स्वाभाविक रूप से किन प्रजातियों में मौजूद हैं, इसकी जांच करके शोधकर्ताओं ने पाया कि कोलेरा क्लेड के सदस्य—विशेष रूप से Vibrio cholerae और उसके करीबी रिश्तेदार—सबसे प्रचुर मात्रा में मेजबान (hosts) थे। इसके विपरीत, अन्य प्रजातियों में ये रिपीट्स केवल छिटपुट रूप से पाए गए। इससे लेखकों को यह सुझाव देने में मदद मिली कि कोलेरा क्लेड संभवतः मुख्य भंडार या स्रोत के रूप में कार्य करता है, जो इन प्रतिरोध कैसेट्स को उत्पन्न करता है और उन्हें अन्य Vibrio प्रजातियों में वितरित करता है। शोध ने इन आर्काइव्स के भीतर प्रतिरोध जीनों के पांच प्रमुख परिवारों की भी पहचान की, जिनमें फ्लोरोक्विनोलोन एंटीबायोटिक्स के खिलाफ सुरक्षा प्रदान करने वाले और अन्य सामान्य दवाओं को तोड़ने वाले जीन शामिल हैं।

यह साबित करने के लिए कि ये जीन केवल डीएनए के निष्क्रिय टुकड़े नहीं थे बल्कि वास्तव में कार्यात्मक थे, टीम ने जापानी जल में पाए गए एक Vibrio mimicus स्ट्रेन से एक विशिष्ट प्रतिरोध जीन, qnrVC4, को अलग किया। उन्होंने इस जीन को एक सामान्य प्रयोगशाला बैक्टीरिया, Escherichia coli में डाला, जिसमें यह स्वाभाविक रूप से मौजूद नहीं है। संशोधित E. coli तुरंत सिप्रोफ्लोक्सासिन (ciprofloxacin), जो एक सामान्य एंटीबायोटिक है, के प्रति प्रतिरोधी हो गया, जिसे मारने के लिए अनमॉडिफाइड बैक्टीरिया की तुलना में आठ गुना अधिक खुराक की आवश्यकता थी। इस प्रयोग ने पुष्टि की कि सुपरइंटीग्रोन में पाए जाने वाले प्रतिरोध जीन पूरी तरह से सक्रिय हैं और एंटीबायोटिक्स के खिलाफ बैक्टीरिया की रक्षा करने में सक्षम हैं।

ये निष्कर्ष एंटीबायोटिक प्रतिरोध के प्रसार के बारे में हमारी समझ को नया रूप देते हैं। ऐसा प्रतीत होता है कि सुपरइंटीग्रोन केवल स्थिर भंडारण इकाइयाँ नहीं बल्कि सक्रिय विकासवादी केंद्र (evolutionary hubs) हैं। इन जीनों को ले जाने वाले विशिष्ट रिपीट्स का संरक्षण यह सुझाव देता है कि उन्हें स्थानांतरित करने वाली बैक्टीरियल मशीनरी अत्यधिक कुशल और कई अलग-अलग प्रजातियों के बीच संगत है। इसका अर्थ है कि प्रतिरोध जीन Vibrio वंश के माध्यम से स्वतंत्र रूप से यात्रा कर सकते हैं, जो संभावित रूप से पर्यावरणीय बैक्टीरिया से मानव रोग पैदा करने वाले बैक्टीरिया में जा सकते हैं। अध्ययन इस बात पर प्रकाश डालता है कि कोलेरा क्लेड इस प्रक्रिया में केंद्रीय भूमिका निभाता है, जो इन जेनेटिक उपकरणों के निर्माण और प्रसार के लिए एक प्रमुख इंजन के रूप में कार्य करता है। इन मार्गों को समझकर, वैज्ञानिक बेहतर ढंग से ट्रैक कर सकते हैं कि प्रतिरोध कैसे उभरता और फैलता है, जो आधुनिक चिकित्सा की सबसे गंभीर चुनौतियों में से एक को चलाने वाले विकासवादी बलों की एक स्पष्ट तस्वीर पेश करता है।