एक सेल जैव प्रौद्योगिकी के ‘पवित्र कब्र’ में से एक को खींचता है

शोधकर्ताओं का एक समूह जीत गया है एक बड़ा विज्ञान पुरस्कार एक खोज के लिए बनाने में दो दशकों नहीं।

यह लंबे समय से सोचा गया था कि केवल सरल रोगाणुओं ने एक रासायनिक रूपांतरण प्रतिक्रिया में महारत हासिल की थी जो जीवन के कुछ आवश्यक निर्माण ब्लॉकों को बनाने में मदद करती है। लेकिन वैज्ञानिकों ने पाया है कि एक अधिक जटिल जीव-एक नाभिक के साथ एक एकल-कोशिका वाला शैवाल-इसे भी कर सकता है, सेलुलर वास्तुकला के एक नए पहचाने गए टुकड़े के लिए भी धन्यवाद। वे इसे नाइट्रोप्लास्ट कह रहे हैं।

एक दिन, नाइट्रोप्लास्ट खेती में क्रांति ला सकता है। “यह जैव प्रौद्योगिकी के पवित्र कब्रों में से एक है,” कहते हैं Jon Zehrयूसी सांता क्रूज़ से अब सेवानिवृत्त माइक्रोबियल इकोलॉजिस्ट-इंजीनियर पौधों की क्षमता जो नाइट्रोजन को हवा से बाहर कर सकती है और इसका उपयोग किसी भी प्रदूषण, ऊर्जा या व्यय के बिना बढ़ने के लिए कर सकती है जो वर्तमान उर्वरकों की आवश्यकता होती है।

यह इस बात की कहानी है कि कैसे अंतरराष्ट्रीय वैज्ञानिकों के एक समूह ने एक उल्लेखनीय सूक्ष्म पहेली को हल किया।

डीएनए का एक रहस्यमय कटा हुआ

1990 के दशक के उत्तरार्ध में, ज़हर को एक पहेली के साथ सामना किया गया था। अनुसंधान परिभ्रमण पर, समुद्र के पानी का परीक्षण करते समय, वह और उनके सहयोगी समुद्र में डीएनए के समान टुकड़े को ढूंढते रहे। जब वे उस जीव की तलाश करने गए, तो यह आया था, हालांकि, कोई भी कभी भी इसे देखने में कामयाब नहीं हुआ।

ज़हर कहते हैं, “हर बार हमें ये नमूने मिलते हैं,” हम माइक्रोस्कोप के माध्यम से देखेंगे और वहां कुछ भी नहीं है। ” और फिर भी, डीएनए हर जगह था – खुले समुद्र में, तट के साथ, उष्णकटिबंधीय में, और आर्कटिक। “हम लंबे समय से डीएनए के एक टुकड़े से इस जीव का पीछा कर रहे थे।”

डीएनए में एक विशेष और दुर्लभ कार्य भी दिखाई दिया – परिवेश से नाइट्रोजन गैस लेने के लिए, जो जीवित चीजों को जीवित रहने की जरूरत है, और इसे एक ऐसे रूप में बदलना होगा जिसे तब प्रोटीन और डीएनए में फैशन किया जा सकता है।

इस तरह से प्रयोग करने योग्य नाइट्रोजन पर्यावरण में बहुत दुर्लभ है। “यही कारण है कि हम इसे कृषि में उर्वरक के रूप में जोड़ते हैं,” ज़हर कहते हैं। “महासागरों में भी यही सच है। यह महासागर के विस्तृत क्षेत्रों में कम आपूर्ति में है।”

इस पहेली के पहले सुरागों में से एक यह महसूस कर रहा था कि जो कुछ भी डीएनए के इस टुकड़े का उत्पादन किया था, वह सभी प्रकार के आवश्यक जीनों को याद कर रहा था। इसके बारे में कुछ अधूरा था। “इसमें इन सभी छेद या अंतराल थे,” ज़हर कहते हैं। (इन अंतरालों में माइक्रोस्कोप के तहत रोशनी के लिए जिम्मेदार जीन शामिल थे, इसलिए इसे ज़ेहर और उनके सहयोगियों के लिए अदृश्य प्रदान किया गया।)

जीवित रहने के लिए, उन्हें लगा कि इसे एक और जीवन रूप से मदद मिलनी चाहिए, “जो यह बताएगा कि यह इतने सारे जीनों को कैसे याद कर सकता है क्योंकि यह किसी और के साथ रहता है जो उन चीजों को प्रदान कर सकता है,” वे कहते हैं।

ज़ेहर सही था। कि कोई और एक प्रकार का एकल-कोशिका वाला शैवाल बन गया, जिसे कहा जाता है ब्रार्डोस्फेरा बिगेलोवीजो एक किशोर फुटबॉल गेंद की तरह दिखता है।

नजदीक

आगे के प्रयोगों के लिए प्रयोगशाला में फुटबॉल बॉल दिखने वाले शैवाल को बढ़ाने की आवश्यकता है, साथ ही इसके रहस्यमय छोटे दोस्त के साथ। यह एक शक्तिशाली चुनौती थी। कोशिकाएं मरती रहीं। पेलियंटोलॉजिस्ट क्योको हागिनो कोच्चि विश्वविद्यालय ने बारह साल तक कोशिश की जब तक कि उसने आखिरकार मूल जीव के एक चचेरे भाई के साथ इसे क्रैक नहीं किया। “वे बहुत अच्छी तरह से तैर रहे थे,” वह कहती हैं, “इसलिए मैं बहुत उत्साहित थी।”

इस बड़ी सफलता ने टीम को लॉरेंस बर्कले नेशनल लेबोरेटरी के साथ साझेदारी करने की अनुमति दी, ताकि उस फुटबॉल बॉल के अंदर एक कण त्वरक द्वारा उत्पन्न एक्स-रे का उपयोग किया जा सके। “यह एक मेडिकल सीटी स्कैन करने की तरह है जहां आप सेल के अंदर गैर-विनाश के अंदर देख सकते हैं, इसलिए आपको सेल को खुला नहीं करना है,” कैरोलिन लारबेलयूसी सैन फ्रांसिस्को में एक सेल जीवविज्ञानी।

संरचनात्मक जीवविज्ञानी वैलेंटिना मैडमैन उसने जो देखा उससे मारा गया। “शैवाल के अंदर मुझे एक छोटी सी सेल मिली,” वह कहती हैं। “हम किसी भी मूल शैवाल को नहीं देख सकते थे, जिसमें थोड़ा सा सेल नहीं था।”

यह छोटी इकाई – जो उस समय एक छोटी सी सेल के रूप में दिखाई देती थी – समुद्र में उस रहस्यमय डीएनए का ऑडबॉल स्रोत था। “इसका मतलब है कि दो जीव वास्तव में एक साथ रह रहे हैं,” लोकोन्टे कहते हैं।

और जब उसने तब देखा कि कैसे दो स्पष्ट कोशिकाएं – बिग एक के अंदर छोटा – विभाजित, वे सिंक्रनाइज़ किए गए थे। इसने एक टैंटलाइजिंग संभावना को उठाया: क्या होगा अगर छोटी इकाई अपनी खुद की नहीं थी? क्या होगा अगर यह बड़े अल्गल सेल का हिस्सा था?

इसलिए टायलर कोलेयूसी सांता क्रूज़ में एक फाइटोप्लांकटन जीवविज्ञानी, ने अपने प्रोटीन का विश्लेषण करके दोनों के आंतरिक कामकाज पर काम किया। उसे जल्द ही एहसास हुआ कि दोनों को एक दूसरे की जरूरत है। उन्होंने पाया कि छोटे आदमी के लापता जीन बड़े सेल में रखे गए थे। और बड़े सेल को छोटे आदमी से नाइट्रोजन प्राप्त हुआ। यह नाइट्रोजन रूपांतरण क्षमता “एक अतिरिक्त महाशक्ति की तरह है,” कहते हैं केंद्र तुर्क-कुबोयूसी सांता क्रूज़ में एक माइक्रोबियल ओशनोग्राफर। “यह इस रिश्ते का एक बहुत महत्वपूर्ण हिस्सा है।”

“और उस बिंदु पर,” कोले कहते हैं, “इन दो अलग -अलग जीवों को कॉल करना बहुत मुश्किल हो जाता है यदि उनके जीनोम इतने परस्पर क्रिया करते हैं।”

इसके बजाय, उन्होंने और उनके सहयोगियों ने तर्क दिया, यह एक एकल जीव था। छोटा आदमी वास्तव में नाइट्रोप्लास्ट था – बड़े अल्गल सेल का एक घटक।

जब दो एक हो गए

इस खोज तक, नाइट्रोजन को एक गैस से एक प्रयोग करने योग्य रूप में बदलने की क्षमता – नाइट्रोजन निर्धारण नामक कुछ – एक उपलब्धि थी जो वैज्ञानिकों ने सोचा था कि कुछ प्रकार के बैक्टीरिया और अन्य सरल रोगाणुओं को खींच सकते हैं।

लेकिन यह दृश्य अब इस काम के लिए धन्यवाद बदल गया है। कुछ 140 मिलियन साल पहले, एक मुक्त-जीवित बैक्टीरिया जो सभी नाइट्रोजन को पकड़ सकता था, जो पानी से बाहर चाहता था, वह एक प्राचीन अल्गल सेल के साथ फ्यूज्ड में तैर रहा था।

“एक सेल दूसरे को संलग्न करता है,” कोले कहते हैं, “और फिर इसे पचाता नहीं है, बल्कि इसे अपने शरीर में शामिल करता है।”

समय के साथ, बैक्टीरिया ने अपने कुछ जीनों को जेट किया, शैवाल उस नाइट्रोजन पर निर्भर हो गया जो इसे प्राप्त हो रहा था – जब तक कि अंततः, हर एक अब दूसरे के बिना नहीं रह सकता था। दोनों एक दूसरे पर गहराई से भरोसा करने के लिए आए, “दो प्रजातियों की प्रक्रिया एक हो रही है,” कोले कहते हैं।

यह प्रक्रिया “पृथ्वी पर जटिल जीवन के विकास में महत्वपूर्ण है,” वे कहते हैं। इसके द्वारा, कोले का मतलब है कि यह बहुत कुछ है जैसे कि कुछ 1.5 बिलियन साल पहले माइटोकॉन्ड्रिया (कोशिकाओं के ऊर्जा-निर्माण पावरहाउस) को जन्म दिया और क्लोरोप्लास्ट (जो पौधों को कुछ दो अरब साल पहले प्रकाश संश्लेषण की अनुमति देता है)। “उनके जीनोम का हिस्सा अपने स्वयं के छोटे जीनोम में एन्कोड किया गया है, लेकिन आसपास के सेल के नाभिक में आवश्यक भागों को भी एन्कोड किया गया है”, कोले कहते हैं।

लेकिन इस मामले में, प्रक्रिया ने नाइट्रोप्लास्ट का नेतृत्व किया, और संरचना वैश्विक महासागर में नाइट्रोजन की महत्वपूर्ण मात्रा को पंप करने के लिए जिम्मेदार है।

“यह सादे दृष्टि में है,” देखता है डग कैपोनदक्षिणी कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय में एक जैविक महासागरकार जो खोज के साथ शामिल नहीं था। लेकिन उन विवरणों को प्राप्त करने के लिए, जिन्होंने अंत में विश्वास की छलांग लगाई-वाह, यह वास्तव में अच्छा है। “उनके विचार में, नाइट्रोप्लास्ट ने पोषक तत्व-गरीब पानी में अल्गल सेल को” एक मुफ्त सवारी “दी है।

एक दिन, कैपोन का कहना है कि नाइट्रोप्लास्ट को फसलों में पेश किया जा सकता है ताकि उन्हें बाहरी उर्वरक पर भरोसा किए बिना अपने स्वयं के नाइट्रोजन को बदलने की अनुमति मिल सके। “यह एक मॉडल प्रणाली प्रदान करता है,” वह कहते हैं, “कैसे कोई नाइट्रोप्लास्ट को एक कृषि महत्वपूर्ण फसल में एकीकृत कर सकता है।”

यह दृष्टि एक लंबा रास्ता है। “मुझे लगता है कि एक यथार्थवादी दृष्टिकोण है,” कोले कहते हैं, “यह है कि सैकड़ों लोगों द्वारा शोध का दशकों का समय लगेगा, अगर इस समस्या के विभिन्न पहलुओं पर काम करने वाले हजारों वैज्ञानिकों ने इसे एक संभावना भी बनाने के लिए नहीं किया है।”

अभी के लिए, हालांकि, टीम अपने शोध प्रश्नों के अगले सेट पर केंद्रित है, जिसके लिए उसी सहयोगी भावना की आवश्यकता होगी जो उनकी बड़ी खोज का कारण बना – एक प्रकार का अन्योन्याश्रित अंतर्संबंध।

“हमारी टीम,” तुर्क-कुबो कहते हैं, “एक साथ, हम इन जीवों की तरह ही अपने व्यक्तिगत भागों से भी बेहतर हैं।”