यहां तक ​​कि छोटे जीनोम के साथ सिंथेटिक जीवन रूप भी विकसित हो सकते हैं | क्वांटा पत्रिका

सात साल पहले, शोधकर्ताओं ने दिखाया था कि वे कोशिकाओं को उनके मूल सिद्धांतों से अलग कर सकते हैं, सबसे छोटे जीनोम के साथ एक जीवन रूप बना सकते हैं जो इसे अभी भी प्रयोगशाला में बढ़ने और विभाजित करने की अनुमति देता है। लेकिन अपना आधा आनुवंशिक भार कम करने में, उस "न्यूनतम" कोशिका ने वह कठोरता और अनुकूलन क्षमता भी खो दी जो प्राकृतिक जीवन अरबों वर्षों में विकसित हुई थी। इससे जीवविज्ञानियों को आश्चर्य हुआ कि क्या कटौती एकतरफ़ा यात्रा रही होगी: कोशिकाओं को उनके आवश्यक तत्वों तक काटने में, क्या उन्होंने कोशिकाओं को विकसित होने में असमर्थ छोड़ दिया था क्योंकि वे एक और जीन में बदलाव से भी नहीं बच सकते थे?

अब हमारे पास सबूत है कि ग्रह पर सबसे कमजोर, सबसे सरल स्व-प्रतिकृति जीवों में से एक भी अनुकूलन कर सकता है। इंडियाना विश्वविद्यालय की एक टीम के अनुसार, प्रयोगशाला में विकास के केवल 300 दिनों के दौरान, जो पीढ़ीगत रूप से 40,000 मानव वर्षों के बराबर है, बहुत कम कोशिकाओं ने वह सारी फिटनेस हासिल कर ली जो उन्होंने त्याग दी थी। हाल ही में रिपोर्ट पत्रिका में प्रकृति. शोधकर्ताओं ने पाया कि कोशिकाएं उन छोटे जीवाणुओं के साथ-साथ चयन दबावों पर भी प्रतिक्रिया करती हैं जिनसे वे उत्पन्न हुई थीं। कैलिफ़ोर्निया विश्वविद्यालय, सैन डिएगो में एक दूसरा शोध समूह स्वतंत्र रूप से इसी तरह के निष्कर्ष पर पहुंचा, जिसे प्रकाशन के लिए स्वीकार कर लिया गया है।

"इससे पता चलता है कि जीवन, यहां तक ​​​​कि एक न्यूनतम कोशिका जैसा सरल जीवन भी, जितना हमने सोचा था उससे कहीं अधिक मजबूत है," कहा केट अदमाला, मिनेसोटा विश्वविद्यालय में एक बायोकेमिस्ट और सहायक प्रोफेसर जो किसी भी अध्ययन में शामिल नहीं थे। "आप इस पर पत्थर फेंक सकते हैं, और यह अभी भी जीवित रहेगा।" यहां तक ​​कि एक जीनोम में जहां हर एक जीन एक उद्देश्य पूरा करता है, और एक परिवर्तन हानिकारक प्रतीत होता है, विकास जीवों को अनुकूल रूप से ढालता है।

“यह एक आश्चर्यजनक उपलब्धि है,” कहा रोज़ाना ज़ियामिसौरी विश्वविद्यालय के एक भौतिक विज्ञानी, जिनके शोध का उद्देश्य न्यूनतम कोशिका का भौतिकी-आधारित मॉडल बनाना है और जो अध्ययन में शामिल नहीं थे। उन्होंने कहा, नए काम से पता चला है कि बिना किसी जीनोम संसाधन के भी, न्यूनतम कोशिकाएं आवश्यक जीन में यादृच्छिक परिवर्तन के साथ अपनी फिटनेस बढ़ा सकती हैं।

नए विकास प्रयोग इस बात की अंतर्दृष्टि प्रदान करना शुरू कर रहे हैं कि सबसे छोटे, सरल जीव कैसे विकसित हो सकते हैं - और कैसे विकास के सिद्धांत जीवन के सभी रूपों, यहां तक ​​कि प्रयोगशालाओं में विकसित आनुवंशिक नवीनताओं को भी एकजुट करते हैं। "तेजी से, हम सबूत देख रहे हैं कि यह [न्यूनतम कोशिका] एक जीव है जो कुछ विचित्र नहीं है और पृथ्वी पर बाकी जीवन के विपरीत नहीं है," जॉन ग्लास, एक लेखक ने कहा प्रकृति अध्ययन और कैलिफोर्निया में जे. क्रेग वेंटर इंस्टीट्यूट (जेसीवीआई) में सिंथेटिक जीव विज्ञान समूह के नेता, जिन्होंने सबसे पहले न्यूनतम कोशिका का निर्माण किया था।

क्या होगा यदि हम 'इसे ढीला छोड़ दें'?

जिस तरह 19वीं और 20वीं सदी के भौतिकविदों ने पदार्थ के बारे में मौलिक खोज करने के लिए सभी परमाणुओं में सबसे सरल हाइड्रोजन का उपयोग किया, उसी तरह सिंथेटिक जीवविज्ञानी जीवन के बुनियादी सिद्धांतों का अध्ययन करने के लिए न्यूनतम कोशिकाएं विकसित कर रहे हैं। उस लक्ष्य को 2016 में साकार किया गया जब ग्लास और उनके सहयोगियों ने न्यूनतम कोशिका का उत्पादन किया, JCVI-syn3.0. उन्होंने इसके बाद इसका मॉडल तैयार किया माइकोप्लाज्मा मायकोइड्स, एक बकरी में रहने वाला परजीवी जीवाणु जो पहले से ही एक बहुत छोटे जीनोम के साथ काम करता है। 2010 में, टीम ने प्राकृतिक जीवाणु कोशिका का सिंथेटिक संस्करण JCVI-syn1.0 इंजीनियर किया था। इसे एक मार्गदर्शक के रूप में उपयोग करते हुए, उन्होंने आवश्यक ज्ञात जीनों की एक सूची तैयार की, उन्हें एक खमीर कोशिका में इकट्ठा किया और फिर उस नए जीनोम को एक निकट से संबंधित जीवाणु कोशिका में स्थानांतरित कर दिया जो उसके मूल डीएनए से खाली हो गया था।

दो साल बाद न्यू इंग्लैंड में एक सम्मेलन में, जे लेननइंडियाना यूनिवर्सिटी ब्लूमिंगटन के एक विकासवादी जीवविज्ञानी ने एक भाषण सुना क्लाइड हचिसनजेसीवीआई में एक एमेरिटस प्रोफेसर, जिन्होंने न्यूनतम सेल की इंजीनियरिंग करने वाली टीम का नेतृत्व किया था। बाद में, लेनन ने उनसे पूछा, "क्या होता है जब आप इस जीव को खुला छोड़ देते हैं?" अर्थात्, यदि न्यूनतम कोशिकाओं को जंगली बैक्टीरिया की तरह प्राकृतिक चयन के दबाव के अधीन किया जाए तो उनका क्या होगा?

एक विकासवादी जीवविज्ञानी के रूप में लेनन के लिए, प्रश्न स्पष्ट था। लेकिन जब उन्होंने और हचिसन दोनों ने कुछ मिनटों तक इस पर विचार किया, तो यह स्पष्ट हो गया कि उत्तर नहीं था।

न्यूनतम कोशिका "जीवन का एक प्रकार है - यह एक कृत्रिम प्रकार का जीवन है, लेकिन यह अभी भी जीवन है," लेनन ने कहा, क्योंकि यह जीवन की सबसे बुनियादी परिभाषा को पूरा करता है, जो पुनरुत्पादन और बढ़ने में सक्षम है। इसलिए इसे गोरिल्ला, मेंढक, कवक और अन्य सभी जीवों की तरह ही विकासवादी दबावों का जवाब देना चाहिए। लेकिन व्यापक परिकल्पना यह थी कि सुव्यवस्थित जीनोम "इस जीव की अनुकूली रूप से विकसित होने की क्षमता को पंगु बना सकता है," लेनन ने कहा।

हालाँकि, किसी को अंदाज़ा नहीं था कि वास्तव में क्या होगा, क्योंकि शोधकर्ताओं ने आम तौर पर न्यूनतम कोशिकाओं को विकसित होने से रोकने के लिए बहुत सावधानी बरती है। जब कोशिकाओं के नमूने जेसीवीआई द्वारा लगभग 70 प्रयोगशालाओं में वितरित किए जाते हैं जो अब उनके साथ काम करते हैं, तो वे शून्य से 80 डिग्री सेल्सियस पर प्राचीन और जमे हुए होते हैं। जब आप उन्हें बाहर निकालते हैं, तो यह पृथ्वी पर उनके पहले दिन की तरह होता है, लेनन ने कहा: "ये बिल्कुल नई कोशिकाएं हैं जिन्होंने कभी विकास का दिन नहीं देखा था।"

उनकी मुठभेड़ के तुरंत बाद, हचिसन ने लेनन को ग्लास के संपर्क में रखा, जिसने इंडियाना में लेनन की प्रयोगशाला के साथ अपनी टीम की न्यूनतम कोशिकाओं के नमूने साझा किए। फिर लेनन और रॉय मोगर-रीशर, जो उस समय उनके स्नातक छात्र थे, काम पर लग गए।

सुव्यवस्थित कोशिकाओं का परीक्षण

उन्होंने न्यूनतम कोशिकाओं में उत्परिवर्तन दर को मापने के उद्देश्य से एक प्रयोग शुरू किया। उन्होंने बार-बार बढ़ती न्यूनतम कोशिका आबादी का एक टुकड़ा पेट्री डिश में स्थानांतरित किया, जिससे प्रतिस्पर्धा जैसे प्रभावों के बिना कोशिकाओं को बढ़ने के लिए मुक्त कर दिया गया। उन्होंने पाया कि न्यूनतम कोशिका इंजीनियर की तुलना में दर पर उत्परिवर्तित होती है एम. मायकोइड्स - जो किसी भी दर्ज जीवाणु उत्परिवर्तन दर में सबसे अधिक है।

दोनों जीवों में उत्परिवर्तन काफी हद तक समान थे, लेकिन शोधकर्ताओं ने देखा कि न्यूनतम कोशिका में प्राकृतिक उत्परिवर्तन पूर्वाग्रह अतिरंजित था। में एम. मायकोइड्स कोशिकाओं में, उत्परिवर्तन के कारण आनुवंशिक कोड में ए या टी को जी या सी में बदलने की संभावना अन्य तरीकों की तुलना में 30 गुना अधिक थी। न्यूनतम सेल में इसकी संभावना 100 गुना अधिक थी। संभावित व्याख्या यह है कि न्यूनीकरण प्रक्रिया के दौरान हटाए गए कुछ जीन आम तौर पर उस उत्परिवर्तन को रोकते हैं।

प्रयोगों की दूसरी श्रृंखला में, कोशिकाओं के एक छोटे समूह को लाने के बजाय, शोधकर्ताओं ने 300 दिनों और 2,000 पीढ़ियों के लिए कोशिकाओं की घनी आबादी को स्थानांतरित किया। इससे अधिक प्रतिस्पर्धा और प्राकृतिक चयन होने की अनुमति मिली, लाभकारी उत्परिवर्तन और आनुवंशिक वेरिएंट के उद्भव को बढ़ावा मिला जो अंततः सभी कोशिकाओं में समाप्त हो गए।

कोशिकाओं की फिटनेस को मापने के लिए, उन्होंने हर 65 से 130 पीढ़ियों में उनकी अधिकतम वृद्धि दर की गणना की। जितनी तेज़ी से कोशिकाएँ बढ़ीं, अगली पीढ़ी के लिए उतनी ही अधिक पुत्री कोशिकाएँ उत्पन्न हुईं। विकसित और अविकसित न्यूनतम कोशिकाओं की फिटनेस की तुलना करने के लिए, शोधकर्ताओं ने उन्हें पैतृक बैक्टीरिया के खिलाफ प्रतिस्पर्धा करने को कहा। उन्होंने मापा कि प्रयोग की शुरुआत में और 24 घंटों के बाद कोशिकाएं कितनी प्रचुर थीं।

उन्होंने गणना की कि मूल न्यूनतम कोशिका ने अपने गैर-आवश्यक जीन के साथ-साथ अपनी 53% सापेक्ष फिटनेस खो दी है। लेनन ने कहा, न्यूनीकरण ने "कोशिका को बीमार बना दिया है"। फिर भी प्रयोगों के अंत तक, न्यूनतम कोशिकाओं ने अपनी सारी फिटनेस वापस विकसित कर ली थी। वे पैतृक जीवाणुओं के विरुद्ध कड़ा संघर्ष कर सकते थे।

"इससे मेरा दिमाग चकरा गया," कहा एंथोनी वेचिआरेलीमिशिगन विश्वविद्यालय के एक माइक्रोबायोलॉजिस्ट, जो अध्ययन में शामिल नहीं थे। "आप सोचेंगे कि यदि आपके पास केवल आवश्यक जीन हैं, तो अब आपने वास्तव में विकास की मात्रा को सीमित कर दिया है... जो सकारात्मक दिशा में जा सकती है।"

फिर भी प्राकृतिक चयन की शक्ति स्पष्ट थी: इसने सबसे सरल स्वायत्त जीव में भी फिटनेस को तेजी से अनुकूलित किया, जिसमें उत्परिवर्तन के लिए बहुत कम या कोई लचीलापन नहीं था। जब लेनन और मोगर-रीशर ने जीवों की सापेक्ष फिटनेस को समायोजित किया, तो उन्होंने पाया कि न्यूनतम कोशिकाएं सिंथेटिक की तुलना में 39% तेजी से विकसित हुईं एम. मायकोइड्स बैक्टीरिया जिनसे वे प्राप्त हुए थे।

भय-लालच का व्यापार-बंद

वेक्चिआरेली ने कहा कि अध्ययन एक "अविश्वसनीय रूप से विचारोत्तेजक" पहला कदम था। यह अनिश्चित है कि यदि कोशिकाएँ विकसित होती रहीं तो क्या होगा: क्या वे कुछ जीन या जटिलता वापस पा लेंगे जो उन्होंने न्यूनीकरण प्रक्रिया में खो दी थीं? आख़िरकार, न्यूनतम कोशिका अपने आप में अभी भी एक रहस्य है। इसके अस्तित्व के लिए आवश्यक लगभग 80 जीनों का कोई ज्ञात कार्य नहीं है।

निष्कर्ष यह भी सवाल उठाते हैं कि प्राकृतिक चयन और विकास को आगे बढ़ाने के लिए किन जीनों को न्यूनतम कोशिका में रहने की आवश्यकता है।

2016 से, जेसीवीआई टीम ने न्यूनतम कोशिका रेखाओं को बढ़ने और प्राकृतिक कोशिकाओं की तरह अधिक विभाजित करने में मदद करने के लिए कुछ गैर-आवश्यक जीन वापस जोड़े हैं। ऐसा करने से पहले, JCVI-syn3.0 बढ़ रहा था और अजीब आकृतियों में विभाजित हो रहा था, एक ऐसी घटना जिसकी ग्लास और उनकी टीम यह देखने के लिए जांच कर रही है कि क्या उनकी न्यूनतम कोशिकाएं प्राइमर्डियल कोशिकाओं की तरह विभाजित होती हैं।

शोधकर्ताओं ने पाया कि उनके प्रयोगों में प्राकृतिक चयन द्वारा समर्थित अधिकांश लाभकारी उत्परिवर्तन आवश्यक जीन में थे। लेकिन एक महत्वपूर्ण उत्परिवर्तन एक गैर-आवश्यक जीन में था जिसे कहा जाता है ftsZ, जो कोशिका विभाजन को नियंत्रित करने वाले प्रोटीन के लिए कोड करता है। जब यह उत्परिवर्तित हुआ एम. मायकोइड्स, जीवाणु 80% बड़ा हो गया। मजे की बात यह है कि न्यूनतम कोशिका में समान उत्परिवर्तन से इसका आकार नहीं बढ़ा। लेनन ने कहा, इससे पता चलता है कि सेलुलर संदर्भ के आधार पर उत्परिवर्तन के अलग-अलग कार्य कैसे हो सकते हैं।

में पूरक अध्ययनजिसे स्वीकार कर लिया गया है आईसाइंस लेकिन अभी तक प्रकाशित नहीं हुआ, एक समूह के नेतृत्व में बर्नहार्ड पाल्सन कैलिफ़ोर्निया विश्वविद्यालय, सैन डिएगो में समान न्यूनतम कोशिका के एक प्रकार पर प्रयोगों से समान परिणाम सामने आए। उन्हें कोई नहीं मिला ftsZ उनके विकसित न्यूनतम कोशिकाओं में उत्परिवर्तन, लेकिन उन्होंने अन्य जीनों में समान उत्परिवर्तन पाया जो कोशिका विभाजन को नियंत्रित करते हैं, इस बात पर जोर देते हुए कि जैविक परिणाम प्राप्त करने के कई तरीके हैं, पाल्सन ने कहा।

उन्होंने कोशिका के आकार को नहीं देखा, लेकिन उन्होंने जांच की कि कौन से जीन विकास के पहले, उसके दौरान और बाद में व्यक्त हुए थे। उन्होंने "भय-लालच व्यापार-बंद" देखा, प्राकृतिक बैक्टीरिया में जीन में उत्परिवर्तन विकसित करने की प्रवृत्ति भी देखी गई जो उत्परिवर्तन के बजाय इसे बढ़ने में मदद करेगी जो त्रुटियों को ठीक करने के लिए अधिक डीएनए मरम्मत प्रोटीन का उत्पादन करेगी।

यहां आप देख सकते हैं कि "उत्परिवर्तन उन सेलुलर प्रक्रियाओं को प्रतिबिंबित करते हैं जो किसी फ़ंक्शन को बेहतर बनाने के लिए आवश्यक हैं," पाल्सन ने कहा।

जिया ने कहा, यह प्रदर्शित करना कि न्यूनतम कोशिका अधिक प्राकृतिक जीनोम वाली कोशिकाओं की तरह विकसित हो सकती है, महत्वपूर्ण थी क्योंकि यह पुष्टि करती है कि "यह सामान्य रूप से जीवन का कितना अच्छा प्रतिनिधित्व करती है।" कई शोधकर्ताओं के लिए, एक न्यूनतम कोशिका का संपूर्ण उद्देश्य अधिक जटिल प्राकृतिक कोशिकाओं और उनके द्वारा पालन किए जाने वाले नियमों को समझने के लिए एक गंभीर रूप से उपयोगी मार्गदर्शिका के रूप में कार्य करना है।

अन्य अध्ययन भी इस बात की जांच करने लगे हैं कि न्यूनतम कोशिकाएं प्राकृतिक दबावों पर कैसे प्रतिक्रिया करती हैं। एक समूह ने सूचना दी आईसाइंस 2021 में न्यूनतम कोशिकाएं बैक्टीरिया की तरह ही विभिन्न एंटीबायोटिक दवाओं के प्रति तेजी से प्रतिरोध विकसित कर सकती हैं।

यह जानने से कि किन जीनों के उत्परिवर्तित होने और उपयोगी अनुकूलन की ओर ले जाने की अधिक संभावना है, किसी दिन शोधकर्ताओं को ऐसी दवाएं डिजाइन करने में मदद मिल सकती है जो समय के साथ शरीर में उनके काम को बेहतर बनाती हैं। बहुत अलग क्षमताओं वाले मजबूत सिंथेटिक जीवन रूपों का निर्माण करने के लिए, विकासवादी जीवविज्ञानी और सिंथेटिक जीवविज्ञानी को एक साथ काम करना चाहिए, "क्योंकि इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि आप इसे कितना इंजीनियर करते हैं, यह अभी भी जीव विज्ञान है, और जीव विज्ञान विकसित होता है," एडमाला ने कहा।