आंशिक रूप से सिंथेटिक मॉस डिजाइनर जीनोम वाले पौधों के लिए मार्ग प्रशस्त करता है

सिंथेटिक जीव विज्ञान पहले से ही जीवन को फिर से लिख रहा है।

2023 के अंत में, वैज्ञानिक यीस्ट कोशिकाओं का पता चला उनके आधे आनुवंशिक ब्लूप्रिंट को कृत्रिम डीएनए द्वारा प्रतिस्थापित कर दिया गया है। यह एक "वाटरशेड" क्षण था 18 साल लंबा प्रोजेक्ट प्रत्येक यीस्ट गुणसूत्र के वैकल्पिक संस्करण डिज़ाइन करना। साढ़े सात सिंथेटिक गुणसूत्र होने के बावजूद कोशिकाएं पुनरुत्पादित हुईं और पनपीं।

एक नए अध्ययन से हमें विकासवादी सीढ़ी से डिजाइनर पौधों तक ले जाता है।

SynMoss नामक एक परियोजना के लिए, चीन में एक टीम ने एक प्रकार के काई में एकल गुणसूत्र के हिस्से को फिर से डिज़ाइन किया। परिणामी भाग-सिंथेटिक पौधा सामान्य रूप से विकसित हुआ और बीजाणु पैदा किया, जिससे यह आंशिक रूप से कृत्रिम गुणसूत्र ले जाने वाली एकाधिक कोशिकाओं वाले पहले जीवित प्राणियों में से एक बन गया।

पौधे के गुणसूत्रों में कस्टम परिवर्तन सिंथेटिक खमीर की तुलना में अपेक्षाकृत छोटे होते हैं। लेकिन यह उच्च-स्तरीय जीवों में जीनोम को पूरी तरह से नया स्वरूप देने की दिशा में एक कदम है।

के साथ एक साक्षात्कार में विज्ञानइंपीरियल कॉलेज लंदन के सिंथेटिक जीवविज्ञानी डॉ. टॉम एलिस ने कहा कि यह "उन लोगों के लिए जागृति का आह्वान है जो सोचते हैं कि सिंथेटिक जीनोम केवल रोगाणुओं के लिए हैं।"

जीवन का उन्नयन

जीवन को फिर से लिखने के प्रयास सिर्फ वैज्ञानिक जिज्ञासा को संतुष्ट करने के लिए नहीं हैं।

डीएनए के साथ छेड़छाड़ करने से हमें विकासवादी इतिहास को समझने और डीएनए के महत्वपूर्ण हिस्सों को इंगित करने में मदद मिल सकती है जो गुणसूत्रों को स्थिर रखते हैं या बीमारी का कारण बनते हैं। प्रयोग हमें डीएनए के "डार्क मैटर" को बेहतर ढंग से समझने में भी मदद कर सकते हैं। जीनोम में बिखरे हुए, रहस्यमय अनुक्रम जो प्रोटीन को एन्कोड नहीं करते हैं, लंबे समय से वैज्ञानिकों को चकित कर रहे हैं: क्या वे उपयोगी हैं या केवल विकास के अवशेष हैं?

सिंथेटिक जीव जीवित चीजों को इंजीनियर करना भी आसान बनाते हैं। उदाहरण के लिए, बैक्टीरिया और यीस्ट का उपयोग पहले से ही बीयर बनाने और इंसुलिन जैसी जीवन रक्षक दवाओं को पंप करने के लिए किया जाता है। जीनोम के कुछ हिस्सों को जोड़कर, स्विच करके या हटाकर, इन कोशिकाओं को नई क्षमताएं देना संभव है।

एक हालिया अध्ययन मेंउदाहरण के लिए, शोधकर्ताओं ने प्रकृति में नहीं देखे गए अमीनो एसिड बिल्डिंग ब्लॉक्स का उपयोग करके प्रोटीन को संश्लेषित करने के लिए बैक्टीरिया को पुन: प्रोग्राम किया। दूसरे में अध्ययन में, एक टीम ने बैक्टीरिया को प्लास्टिक-चॉम्पिंग टर्मिनेटर में बदल दिया जो प्लास्टिक कचरे को उपयोगी सामग्रियों में रीसायकल करते हैं।

प्रभावशाली होते हुए भी, बैक्टीरिया हमारी कोशिकाओं के विपरीत कोशिकाओं से बने होते हैं - उनकी आनुवंशिक सामग्री चारों ओर तैरती रहती है, जिससे उन्हें फिर से जोड़ना आसान हो जाता है।

RSI सिंथेटिक खमीर परियोजना एक सफलता थी. बैक्टीरिया के विपरीत, यीस्ट एक यूकेरियोटिक कोशिका है। पौधे, जानवर और मनुष्य सभी इस श्रेणी में आते हैं। हमारा डीएनए एक अखरोट जैसे बुलबुले के अंदर सुरक्षित रहता है जिसे न्यूक्लियस कहा जाता है, जिससे सिंथेटिक जीवविज्ञानियों के लिए इसे सुधारना अधिक चुनौतीपूर्ण हो जाता है।

और जहां तक ​​यूकेरियोट्स की बात है, पौधों में यीस्ट की तुलना में हेरफेर करना कठिन होता है - एक एकल-कोशिका जीव - क्योंकि उनमें कई प्रकार की कोशिकाएँ होती हैं जो विकास और प्रजनन का समन्वय करती हैं। प्रत्येक कोशिका कैसे काम करती है, इसके आधार पर क्रोमोसोमल परिवर्तन अलग-अलग तरीके से हो सकते हैं और बदले में, पौधे के स्वास्थ्य को प्रभावित करते हैं।

टीम ने अपने पेपर में लिखा, "बहुकोशिकीय जीवों में जीनोम संश्लेषण अज्ञात क्षेत्र बना हुआ है।"

धीमी और स्थिर

खरोंच से एक बिल्कुल नया जीनोम बनाने के बजाय, टीम ने मौजूदा मॉस जीनोम के साथ छेड़छाड़ की।

इस हरे फ़ज़ का प्रयोगशाला में बड़े पैमाने पर अध्ययन किया गया है। एक प्रारंभिक विश्लेषण मॉस जीनोम में पाया गया कि इसमें 35,000 संभावित जीन हैं - जो एक पौधे के लिए बेहद जटिल हैं। इसके सभी 26 गुणसूत्रों को पूरी तरह से अनुक्रमित किया गया है।

इस कारण से, पौधा "विकासवादी विकासात्मक और कोशिका जैविक अध्ययन में व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला मॉडल" है, टीम ने लिखा है।

मॉस जीन आसानी से पर्यावरणीय परिवर्तनों के अनुकूल हो जाते हैं, विशेष रूप से वे जीन जो सूर्य के प्रकाश से डीएनए क्षति की मरम्मत करते हैं। अन्य पौधों की तुलना में - जैसे कि थेल क्रेस, एक अन्य मॉडल जीवविज्ञानी का समर्थन करता है - मॉस में बड़े डीएनए परिवर्तनों को सहन करने और तेजी से पुनर्जीवित करने की अंतर्निहित क्षमता होती है। टीम ने समझाया कि जीनोम को दोबारा लिखते समय दोनों पहलू "आवश्यक" हैं।

एक और लाभ? काई एक कोशिका से पूर्ण पौधे में विकसित हो सकती है। यह क्षमता सिंथेटिक जीवविज्ञानियों के लिए एक स्वप्निल परिदृश्य है क्योंकि केवल एक कोशिका में जीन या गुणसूत्रों को बदलना संभावित रूप से पूरे जीव को बदल सकता है।

हमारी तरह, पौधे के गुणसूत्र भी दो क्रॉस भुजाओं वाले "X" की तरह दिखते हैं। इस अध्ययन के लिए, टीम ने पौधे में सबसे छोटी गुणसूत्र भुजा-गुणसूत्र 18 को फिर से लिखने का निर्णय लिया। यह अभी भी एक विशाल परियोजना थी। पहले, सबसे बड़ा प्रतिस्थापन केवल लगभग 5,000 डीएनए अक्षरों का था; नए अध्ययन में 68,000 से अधिक अक्षरों को बदलने की आवश्यकता थी।

टीम ने लिखा, "प्राकृतिक डीएनए अनुक्रमों को "पुन: डिज़ाइन किए गए बड़े सिंथेटिक टुकड़ों से बदलना एक कठिन तकनीकी चुनौती पेश करता है।"

उन्होंने फूट डालो और राज करो की रणनीति अपनाई। उन्होंने पहले सिंथेटिक डीएनए के मध्यम आकार के टुकड़ों को क्रोमोसोम बांह के एकल डीएनए "मेगा-खंड" में संयोजित करने से पहले डिज़ाइन किया था।

नए डिज़ाइन किए गए गुणसूत्र में कई उल्लेखनीय परिवर्तन थे। इसे ट्रांसपोज़न, या "जंपिंग जीन" से हटा दिया गया था। ये डीएनए ब्लॉक जीनोम के चारों ओर घूमते हैं, और वैज्ञानिक अभी भी इस बात पर बहस कर रहे हैं कि क्या वे सामान्य जैविक कार्यों के लिए आवश्यक हैं या यदि वे बीमारी में योगदान करते हैं। टीम ने गुणसूत्र को सिंथेटिक के रूप में चिह्नित करने के लिए इसमें डीएनए "टैग" भी जोड़ा और यह कुछ प्रोटीन के निर्माण को कैसे नियंत्रित करता है, इसमें बदलाव किए।

कुल मिलाकर, परिवर्तनों ने गुणसूत्र के आकार को लगभग 56 प्रतिशत कम कर दिया। डिज़ाइनर क्रोमोसोम को मॉस कोशिकाओं में डालने के बाद, टीम ने उन्हें वयस्क पौधों में विकसित किया।

एक अर्ध-सिंथेटिक फूल

भारी रूप से संपादित जीनोम के साथ भी, सिंथेटिक काई आश्चर्यजनक रूप से सामान्य थी। पौधे आसानी से कई शाखाओं वाली पत्तेदार झाड़ियों में विकसित हो गए और अंततः बीजाणु उत्पन्न हुए। सभी प्रजनन संरचनाएँ जंगली में पाई जाने वाली संरचनाओं जैसी थीं, जिससे पता चलता है कि आधे-सिंथेटिक पौधों का जीवन चक्र सामान्य था और वे संभावित रूप से प्रजनन कर सकते थे।

पौधों ने अत्यधिक नमकीन वातावरण के प्रति भी अपना लचीलापन बनाए रखा - एक उपयोगी अनुकूलन उनके प्राकृतिक समकक्षों में भी देखा गया।

लेकिन सिंथेटिक काई में कुछ अप्रत्याशित एपिजेनेटिक विचित्रताएं थीं। एपिजेनेटिक्स इस बात का विज्ञान है कि कोशिकाएं जीन को कैसे चालू या बंद करती हैं। गुणसूत्र के सिंथेटिक हिस्से में प्राकृतिक काई की तुलना में एक अलग एपिजेनेटिक प्रोफ़ाइल थी, जिसमें सामान्य से अधिक सक्रिय जीन थे। टीम के अनुसार, यह संभावित रूप से हानिकारक हो सकता है।

मॉस ने ट्रांसपोज़न सहित डीएनए के "डार्क मैटर" में संभावित अंतर्दृष्टि भी प्रदान की। इन जंपिंग जीनों को हटाने से आंशिक रूप से सिंथेटिक पौधों को कोई नुकसान नहीं हुआ, जिससे पता चलता है कि वे उनके स्वास्थ्य के लिए आवश्यक नहीं हो सकते हैं।

अधिक व्यावहारिक रूप से, परिणाम हो सकते हैं जैव प्रौद्योगिकी प्रयासों को बढ़ावा दें चिकित्सीय प्रोटीन की एक विस्तृत श्रृंखला का उत्पादन करने के लिए काई का उपयोग किया जाता है, जिसमें हृदय रोग से लड़ने, घावों को ठीक करने या स्ट्रोक का इलाज करने वाले प्रोटीन भी शामिल हैं। मॉस का उपयोग पहले से ही चिकित्सा दवाओं को संश्लेषित करने के लिए किया जाता है। आंशिक रूप से डिज़ाइन किया गया जीनोम इसके चयापचय को बदल सकता है, संक्रमण के खिलाफ इसकी लचीलापन बढ़ा सकता है और उपज बढ़ा सकता है।

अगला कदम क्रोमोसोम 18 की संपूर्ण छोटी भुजा को सिंथेटिक अनुक्रमों से बदलना है। उनका लक्ष्य 10 वर्षों के भीतर संपूर्ण सिंथेटिक मॉस जीनोम उत्पन्न करना है।

यह एक महत्वाकांक्षी लक्ष्य है. यीस्ट जीनोम की तुलना में, जिसके आधे हिस्से को फिर से लिखने में 18 साल और वैश्विक सहयोग लगा, मॉस जीनोम 40 गुना बड़ा है। लेकिन तेजी से कुशल और सस्ती डीएनए रीडिंग और संश्लेषण प्रौद्योगिकियों के साथ, लक्ष्य पहुंच से परे नहीं है।

इसी तरह की तकनीकें बैक्टीरिया और खमीर से परे, पौधों से जानवरों तक जीवों में गुणसूत्रों को फिर से डिजाइन करने के लिए अन्य परियोजनाओं को भी प्रेरित कर सकती हैं।

छवि क्रेडिट: पाइरेक्स/विकिमीडिया कॉमन्स

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• स्रोत: https://singularityhub.com/2024/02/08/partially-synthetic-moss-paves-the-way-for-plants-with-designer-genomes/