आईसीएआर, पेन स्टेट टीम ने पौधों के जीनोम को संपादित करने के लिए पर्याप्त छोटा उपकरण बनाया

आटा, चॉकलेट, कोको पाउडर, अंडे और मक्खन वे सभी सामग्रियां हैं जो आपकी मनचाही मिठाई बनाने के लिए उपयोगी हैं।

इस समय आपको केवल एक चरण-दर-चरण नुस्खा की आवश्यकता है, जो आपको स्वादिष्ट ब्राउनी बनाने में मदद करेगा।

अपनी सीमा से बहुत बड़ा

प्रकृति के पास जीवित जीवों को ‘बनाने’ के लिए ज़रूरी तत्व भी हैं, जिसके लिए जीनोम नामक आनुवंशिक निर्देश पुस्तिका का उपयोग किया जाता है। जीनोम की संरचना में एक छोटा सा बदलाव यह निर्धारित कर सकता है कि बनाया जा रहा जीव एक फूल है जो दो पंखुड़ियों वाला रंग प्रदर्शित करता है, एक बिल्ली जिसके कान बड़े या छोटे हैं या क्या धनिया के पत्ते कुछ लोगों को साबुन जैसा स्वाद देंगे।

जीन-संपादन उपकरण CRISPR की सहायता से, वैज्ञानिक आज जीनोम को सटीक रूप से संपादित कर सकते हैं, जिससे वांछित आनुवंशिक लक्षण शामिल हो सकते हैं या अवांछनीय लक्षण हटाए जा सकते हैं।

CRISPR में कृषि क्षेत्र में क्रांति लाने की क्षमता है, खास तौर पर कृषि वैज्ञानिकों को फसल की पैदावार बढ़ाने और जीन-संपादन के माध्यम से बीमारी और असामान्य मौसम के प्रति प्रतिरोध में सुधार करने की अनुमति देकर। हालाँकि, इसमें एक गंभीर बाधा रही है: CRISPR प्रणाली का एक आम तौर पर इस्तेमाल किया जाने वाला रूप पौधों के जीनोम के लिए बहुत बड़ा है।

यह प्रणाली डीएनए के विशिष्ट भागों को लक्षित करने के लिए दो प्रोटीनों, Cas9 या Cas12 में से एक का उपयोग करती है। लेकिन वे पौधों की कोशिकाओं के लिए बहुत भारी होते हैं।

छोटा बेहतर है

कटक स्थित आईसीएआर-राष्ट्रीय चावल अनुसंधान संस्थान के कुतुबुद्दीन मोल्ला और अमेरिका के पेन्सिलवेनिया स्टेट यूनिवर्सिटी के मिर्जा बेग के नेतृत्व में शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक विकल्प प्रस्तुत किया है जो पौधों के जीनोम संपादन में इस बड़ी समस्या को हल कर सकता है। प्लांट बायोटेक्नोलॉजी जर्नल.

उन्होंने एक प्लांट जीनोम एडिटर विकसित करने की सूचना दी, जिसमें ISDra2TnpB नामक प्रोटीन शामिल है, जो बैक्टीरिया नामक पदार्थ से प्राप्त होता है। डाइनोकोकस रेडियोड्यूरान्स (चरम पर्यावरणीय परिस्थितियों में जीवित रहने में सक्षम होने के लिए प्रसिद्ध)। ISDra2TnpB का आकार Cas9 और Cas12 के आधे से भी कम है।

टाटा इंस्टीट्यूट फॉर जेनेटिक्स एंड सोसाइटी (टीआईजीएस), बेंगलुरु के फसल सुधार कार्यक्रम के प्रमुख वैज्ञानिक वी.एस. श्रेष्ठी तव्वा, जो इस अध्ययन में शामिल नहीं थे, ने इसके निष्कर्षों पर उत्साह व्यक्त किया।

“वर्तमान में, [since] उन्होंने कहा, “प्लांट जीनोम एडिटर के लिए बहुत सारे विकल्प उपलब्ध नहीं हैं, लेकिन बेहतर TnpB निश्चित रूप से मूल्य जोड़ता है। हमें रुचि के विभिन्न लक्षणों के लिए संपादित पौधों को बनाने में TnpB के आकार का लाभ उठाना चाहिए।”

टीएनपीबी का संपादन कौशल

TnpB एक प्रोटीन है जो लगभग 400 अमीनो एसिड इकाइयों से बना होता है (20 अमीनो एसिड के विभिन्न संयोजन सभी प्रोटीन बनाते हैं)। यह ट्रांसपोज़ेबल तत्वों या ट्रांसपोज़न के परिवार से संबंधित है। कभी-कभी “जंपिंग जीन” कहे जाने वाले ट्रांसपोज़न जीनोम के ऐसे हिस्से होते हैं जो एक स्थान से दूसरे स्थान पर जा सकते हैं।

जीनोम में डीएनए के दो स्ट्रैंड होते हैं जो एक दूसरे से जुड़े होते हैं। प्रत्येक स्ट्रैंड न्यूक्लियोटाइड नामक बिल्डिंग ब्लॉक से बना होता है। बदले में, प्रत्येक न्यूक्लियोटाइड में तीन टुकड़े होते हैं; उनमें से दो सभी में समान होते हैं जबकि तीसरे की पहचान चार विकल्पों में से एक हो सकती है: एडेनिन (ए), थाइमिन (टी), साइटोसिन (सी) या ग्वानिन (जी)। डीएनए का ‘अनुक्रम’ उस क्रम को संदर्भित करता है जिसमें इन चार यौगिकों वाले न्यूक्लियोटाइड व्यवस्थित होते हैं।

नई प्रणाली में, TnpB आरएनए के एक टुकड़े पर सवार होता है जो इसे लक्ष्य डीएनए अनुक्रम तक ले जाता है। एक बार वहां पहुंचने के बाद TnpB अनुक्रम से जुड़ जाता है और उसे खत्म कर देता है। जिस कोशिका में यह डीएनए होता है वह ‘सही’ अनुक्रम को बहाल करके कट की मरम्मत करता है। इस प्रकार, जीनोम को एक अवांछनीय अनुक्रम को एक वांछनीय अनुक्रम से बदलने के लिए संशोधित किया जाता है।

नए अध्ययन के पीछे शोधकर्ताओं ने TnpB-आधारित प्रणाली की जीनोम संपादन क्षमताओं का उपयोग करके एक औसत पौधे के जीनोम में 33.58% संपादन दक्षता हासिल की, जो उन लक्ष्यों पर थी, जिन तक Cas9 या Cas12 नहीं पहुंच सकते थे। उन्होंने प्रदर्शित किया कि जीनोम संपादक दोनों प्रकार के फूल वाले पौधों पर प्रभावी था – मोनोकोट्स (जैसे चावल, जिसमें एक बीज पत्ती होती है) और डाइकोट्स (जैसे अरेबिडोप्सिसगोभी और सरसों से संबंधित एक पौधा जिसमें दो बीज पत्ते होते हैं)।

कोडॉन और नियामक

टीम ने TnpB-आधारित संपादन उपकरण के चार संस्करण भी बनाए और उनमें से सर्वश्रेष्ठ की पहचान करने के लिए चावल के प्रोटोप्लास्ट – कोशिका भित्ति रहित पौधे कोशिकाओं – पर उनका परीक्षण किया। अपने शुरुआती प्रयोगों में, संस्करणों में संपादन दक्षता कम थी।

इसे बेहतर बनाने के लिए, डॉ. मोल्ला और उनके साथियों ने दो काम किए। सबसे पहले, उन्होंने कोडॉन ऑप्टिमाइजेशन नामक प्रक्रिया का इस्तेमाल किया। उदाहरण के लिए, शरीर में कोशिकाएँ तीन न्यूक्लियोटाइड के अनुक्रम द्वारा दर्शाए गए जीनोम में दिए गए निर्देश का पालन करके अमीनो एसिड लाइसिन बनाती हैं। तीन के ऐसे अनुक्रमों को कोडॉन कहा जाता है।

लाइसिन के लिए नुस्खा युक्त कोडॉन अनुक्रम विभिन्न प्रकार के जीवों में भिन्न होता है। TnpB एक प्रोटीन है जिसे निकाला जाता है डी. रेडियोड्यूरान्सएक प्रोकैरियोटिक बैक्टीरिया, जिसमें पौधों जैसे यूकेरियोट्स की तुलना में लाइसिन के लिए एक अलग कोडन होता है। इसलिए शोधकर्ताओं ने संपादन दक्षता में सुधार करने के लिए चावल के प्रोटोप्लास्ट से मेल खाने के लिए TnpB के कोडन पूर्वाग्रह को संपादित किया, डॉ. मोल्ला ने समझाया।

दूसरी चीज़ जिसमें शोधकर्ताओं ने बदलाव किया वह था विनियामक तत्व। जब TnpB और विशिष्ट RNA जो इसे लक्ष्य DNA तक ले जाता है, को प्रोकैरियोट से यूकेरियोट में स्थानांतरित किया जाता है, तो शोधकर्ताओं को प्रमोटर और टर्मिनेटर नामक अनुक्रमों को भी शामिल करने की आवश्यकता होती है जो TnpB की अभिव्यक्ति को नियंत्रित और विनियमित करते हैं।

डॉ. मोल्ला ने कहा, “हमने ऐसे प्रमोटर्स जोड़े हैं जो टीएनपीबी की अभिव्यक्ति को बढ़ा सकते हैं और बेहतर संपादन कर सकते हैं।”

एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन अपग्रेड

शोधकर्ताओं ने TnpB-आधारित जीन-संपादन प्रणाली को अंतिम रूप देने का काम पूरा कर लिया है। उन्होंने TnpB को निष्क्रिय कर दिया और इसे एक अन्य प्रोटीन के साथ मिलाकर ‘हाइब्रिड’ बेस एडिटर बनाया।

गाइड आरएनए के साथ, यह संपादक डीएनए अनुक्रम में एक एकल न्यूक्लियोटाइड को बदल सकता है।

सक्रिय TnpB के साथ पिछले संस्करण में यह संभव नहीं था, क्योंकि यह केवल DNA अनुक्रमों को ही हटाता था तथा एक अनुक्रम को दूसरे से प्रतिस्थापित नहीं कर सकता था।

इस प्रकार, नए बेस एडिटर ने व्यक्तिगत न्यूक्लियोटाइड के स्तर पर जीन में परिवर्तन की सुविधा प्रदान करके फसल नवाचार के लिए रोमांचक संभावनाएं खोल दीं।

संपादित पौधों का भविष्य

शोधकर्ताओं द्वारा निर्मित TnpB-आधारित संपादक, बेस एडिटिंग और ट्रांसक्रिप्शन एक्टिवेशन, दोनों का उपयोग करके पादप जीनोम को संपादित कर सकते हैं, जो पादप संश्लेषित जीव विज्ञान में व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली दो तकनीकें हैं।

डॉ. तव्वाहालांकि उन्होंने कहा कि अधिकांश दावे प्रोटोप्लास्ट से प्राप्त आंकड़ों पर आधारित थे और जब किसी जीव द्वारा बाह्य डीएनए को अवशोषित करने और उसे अपने जीनोम में एकीकृत करने की प्रक्रिया की बात आती है तो परिदृश्य बदल सकता है।

यह भी पता चला कि द्विबीजपत्री पौधों में आधार संपादन प्रणाली की दक्षता कम रही, जैसा कि परिणामों से संकेत मिलता है (0.2-0.46% औसत संपादन दक्षता) अरेबिडोप्सिसडॉ. तव्वा ने कहा, “चाहे जो भी हो, पादप जीनोम संपादन समुदाय को अपनी पसंद की फसल प्रजातियों में रुचि के विभिन्न लक्षणों को सुधारने के लिए इस लघु संपादन प्रणाली को आज़माना चाहिए।”

टीआईजीएस के निदेशक राकेश मिश्रा ने भी उनकी बात दोहराई: “एक नए और प्रभावी जीनोम संपादन उपकरण का आविष्कार होते देखना रोमांचक है। हालाँकि और अधिक विकास की आवश्यकता होगी, लेकिन इस तरह के विकल्प स्वागत योग्य समाचार हैं।”

शोधकर्ताओं ने आशा व्यक्त की है कि यह लघु जीनोम संपादन उपकरण खाद्य फसलों से पोषक-विरोधी कारकों को हटाने, कीटों के प्रति उनकी संवेदनशीलता को कम करने, तथा चावल की फसलों को छोटा बनाने तथा चक्रवातों के दौरान क्षति की संभावना को कम करने में मदद करेगा।

संजुक्ता मोंडल एक रसायनज्ञ से विज्ञान लेखिका बनी हैं, जिन्हें STEM यूट्यूब चैनलों के लिए लोकप्रिय विज्ञान लेख और स्क्रिप्ट लिखने का अनुभव है।