आनुवंशिक रूप से इंजीनियरिंग के लिए एक खाका एक सुपर कोरल

एक कोरल रीफ को बनने में हजारों साल लगते हैं, फिर भी एक पल में गायब हो सकता है।

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• उनके जीवन के लिए गहरे पानी के कण चमकते हैं
• नवीनतम विरंजन घटना खत्म हो सकता है, लेकिन खतरे में अभी भी कर रहे हैं

अपराधी आमतौर पर प्रवाल विरंजन होता है, जो गर्म पानी से फैलने वाली एक बीमारी है जो आज दुनिया भर में भित्तियों के लिए खतरा है। सबसे खराब रिकॉर्डेड ब्लीचिंग घटना 2014 और 2016 के बीच दक्षिण प्रशांत क्षेत्र में हुई, जब समुद्र के बढ़ते तापमान के बाद अल-नीनो पानी के अचानक प्रवाह ने ग्रेट बैरियर रीफ को नुकसान पहुंचाया। केवल एक सीज़न में विरंजन ने लगभग एक चौथाई विशाल पारिस्थितिक तंत्र को नष्ट कर दिया, जिसने एक बार कोरल सागर के माध्यम से लगभग 150, 000 वर्ग मील फैलाया था।

एक आणविक जीवविज्ञानी राहेल लेविन का कहना है, "जैसा कि यह जैसा भयानक था, वह विरंजन घटना एक वेक-अप कॉल थी।" उनका विचार, फ्रंटियर्स इन माइक्रोबायोलॉजी जर्नल में प्रकाशित हुआ, यह सरल है: प्रकृति में प्रक्षालित प्रवाल को फिर से इकट्ठा करने के लिए स्वस्थ सीबम खोजने के बजाय, उन्हें लैब में इंजीनियर करें। यह देखते हुए कि इसके लिए एक महत्वपूर्ण तरीके से प्रकृति के साथ छेड़छाड़ की आवश्यकता होगी, इस प्रस्ताव से विवादास्पद जल में हलचल होने की संभावना है।

लेकिन लेविन का तर्क है कि दुनिया भर में भित्तियों के लिए समय बीतने के साथ, संभावित मूल्य जोखिम के लायक हो सकता है।

लेविन ने एक अंडरग्रेजुएट के रूप में कैंसर फार्माकोलॉजी का अध्ययन किया, लेकिन समुद्री विज्ञान पाठ्यक्रमों में डबिंग के दौरान जलीय जीवन का सामना करने वाले खतरों से मोहित हो गया। वह इस तथ्य से प्रभावित थी कि, मानव रोग अनुसंधान के विपरीत, समुद्र के स्वास्थ्य को बहाल करने के लिए लड़ने वाले बहुत कम शोधकर्ता थे। स्नातक होने के बाद, वह पीएचडी करने के लिए कैलिफोर्निया से सिडनी, ऑस्ट्रेलिया चले गए। न्यू साउथ वेल्स विश्वविद्यालय में मरीन बायो-इनोवेशन के केंद्र में, कोरल को मानव रोग अनुसंधान में उसकी विशेषज्ञता को लागू करने की आशा के साथ।

चिकित्सा में, यह अक्सर शोधकर्ताओं के लिए एक नए और विवादास्पद उपचार (यानी "तीन-माता-पिता का बच्चा" बनाने के लिए एक आदमी के शुक्राणु के साथ दो महिला के स्वस्थ अंडे को मिलाने) की कोशिश करने के लिए एक गंभीर बीमारी का खतरा लेता है। एक हद तक पर्यावरण विज्ञान में भी यही है। "एक भयानक बीमारी की तरह [मनुष्यों में], जब लोगों को पता चलता है कि स्थिति कितनी विकट हो रही है, शोधकर्ता बहुत अधिक प्रस्ताव करने की कोशिश करने लगते हैं, " एल्विन कहते हैं। जब पर्यावरण को बचाने की बात आती है, हालांकि, जोखिमपूर्ण, जमीनी स्तर पर तकनीकों को लागू करने के इच्छुक कम अधिवक्ता हैं।

जब यह महत्वपूर्ण समुद्री क्षेत्रों की भित्तियों की बात आती है, जो विविधता की आश्चर्यजनक मात्रा के साथ-साथ तूफान की वृद्धि, बाढ़ और कटाव से भूमि की रक्षा करती है - तो यह हिंसक घातक हो सकता है।

प्रवाल विरंजन को अक्सर प्रवाल की मृत्यु के रूप में प्रस्तुत किया जाता है, जो कि थोड़ा भ्रामक है। दरअसल, यह सहजीवी संघ का टूटना है जो एक प्रवाल को पनपने में सक्षम बनाता है। प्रवाल जानवर अपने आप में एक इमारत के विकासकर्ता की तरह है जो एक उच्च वृद्धि वाले अपार्टमेंट परिसर के मचान का निर्माण करता है। डेवलपर ने अरबों कमरों में से प्रत्येक को एकल-कोशिका वाले, प्रकाश संश्लेषक रोगाणुओं को सिम्बोइडिनियम कहा जाता है ।

लेकिन इस मामले में, रहने के लिए एक सुरक्षित जगह के बदले में, सिम्बायोडीनियम प्रकाश संश्लेषण का उपयोग करके मूंगा के लिए भोजन बनाता है। एक प्रक्षालित प्रवाल, इसके विपरीत, एक निर्जन इमारत की तरह है। अपना भोजन बनाने के लिए कोई किरायेदार नहीं होने के कारण, मूंगा अंततः मर जाता है।

हालांकि विरंजन घातक हो सकता है, यह वास्तव में प्रवाल की एक चतुर विकासवादी रणनीति है। सिम्बियोडिनियम से यह उम्मीद की जाती है कि सौदेबाजी के उनके अंत को बनाए रखे। लेकिन जब पानी बहुत गर्म हो जाता है, तो वे प्रकाश संश्लेषण को रोक देते हैं। जब वह भोजन दुर्लभ हो जाता है, तो प्रवाल एक निष्कासन नोटिस भेजता है। लेविन कहते हैं, "यह एक बुरे किरायेदार की तरह है - आप जो चाहते हैं उससे छुटकारा पाने के लिए और यह देखने के लिए कि क्या आप बेहतर पा सकते हैं, "।

लेकिन जैसा कि महासागरों को गर्म करना जारी है, अच्छे किरायेदारों को खोजने के लिए कठिन और कठिन है। इसका मतलब है कि निष्कासन जोखिम भरा हो सकता है। वार्मिंग महासागर में, कोरल जानवर मरने से पहले मर सकता है इससे पहले कि यह किसी भी बेहतर किराए पर मिल जाए - एक ऐसा परिदृश्य जिसने ग्रह के चारों ओर चट्टान पारिस्थितिक तंत्र को नष्ट कर दिया है।

लेविन इस समस्या को हल करना चाहते थे, एक सुपर-सिम्बियन बनाने के लिए एक सीधा नुस्खा जो कि प्रक्षालित मूंगों को फिर से खोल सकता है और जलवायु परिवर्तन के माध्यम से बनाए रखने में मदद कर सकता है - अनिवार्य रूप से, परिपूर्ण किरायेदार। लेकिन उसे छोटी शुरुआत करनी थी। उस समय, "बहुत सारे छेद और अंतराल थे जो हमें आगे जाने से रोकते थे, " वह कहती हैं। "सभी मैं यह दिखाना चाहता था कि हम आनुवंशिक रूप से इंजीनियर [ सिम्बोइडिनियम ] कर सकते हैं।"

यहां तक ​​कि यह एक लंबा क्रम साबित होगा। पहली चुनौती यह थी कि एकल-कोशिका वाले जीव होने के बावजूद, सिम्बियोडिनियम का एक अनिच्छुक जीनोम है। आमतौर पर सहजीवी जीवों में जीनोम सुव्यवस्थित होता है, क्योंकि वे अपनी अधिकांश जरूरतों के लिए अपने मेजबानों पर भरोसा करते हैं। अभी तक जबकि अन्य प्रजातियों में लगभग 2 मिलियन बेस पेयर के जीनोम हैं, सिम्बियोडिनियम का जीनोम 3 परिमाण से बड़ा है।

"वे विनम्र हैं, " लेविन कहते हैं। वास्तव में, संपूर्ण मानव जीनोम सिम्बायोडीनियम के 3 गुना से थोड़ा ही कम है।

डीएनए अनुक्रमण में प्रगति के बाद भी इन जीनोमों की व्याख्या संभव हो गई, वैज्ञानिकों को अभी भी पता नहीं था कि 80 प्रतिशत जीन किसके लिए थे। लेविन कहते हैं, "हमें इस बात की जरूरत थी कि कौन सा जीन इस जीव में क्या कर रहा है।" फाइटोप्लांकटन के एक समूह का एक सदस्य जिसे डाइनोफ्लैगेलेट्स कहा जाता है, सिम्बोडीनियम अविश्वसनीय रूप से विविध हैं। लेविन ने अपना ध्यान दो प्रमुख सिम्बोइडिनियम उपभेदों पर लगाया, जिन्हें वह अपनी प्रयोगशाला में विकसित कर सकती थी।

सबसे अधिक सिम्बियोडिनियम की तरह पहला तनाव, उच्च तापमान के लिए कमजोर था जो प्रवाल विरंजन का कारण बनता है। ऊष्मा डायल को कुछ पायदान ऊपर करें, और यह गड्ढा टोस्ट था। लेकिन अन्य तनाव, जो गर्म वातावरण में रहने वाले दुर्लभ कोरल से अलग हो गए थे, गर्मी के लिए अभेद्य लग रहे थे। यदि वह यह पता लगा सकती है कि इन दोनों उपभेदों ने विरंजन स्थितियों के दौरान अपने जीन को कैसे मिटाया, तो वह एक नई सुपर-स्ट्रेन इंजीनियरिंग के लिए आनुवंशिक कुंजी पा सकती है।

जब लेविन ने गर्मी को बढ़ाया, तो उसने देखा कि हार्डी सिम्बियोडिनियम ने एंटीऑक्सिडेंट और हीट शॉक प्रोटीन के अपने उत्पादन को बढ़ा दिया है, जो गर्मी के कारण सेलुलर क्षति को ठीक करने में मदद करता है। अप्रत्याशित रूप से, सामान्य सिम्बियोडिनियम नहीं था। तब लेविन ने कमजोर सिम्बियोडिनियम में इन महत्वपूर्ण ऊष्मा सहन करने वाले जीनों की अधिक प्रतियां सम्मिलित करने के तरीके पर ध्यान दिया, जिससे समशीतोष्ण क्षेत्रों से कोरल के साथ जीने के लिए अनुकूलित तनाव पैदा हुआ - लेकिन गर्म महासागरों को जीवित रखने के औजारों के साथ।

डाइनोफ्लैगलेट सेल में नए डीएनए प्राप्त करना कोई आसान काम नहीं है। छोटे होते समय, इन कोशिकाओं को बख्तरबंद प्लेटों, दो सेल झिल्ली और एक सेल की दीवार द्वारा संरक्षित किया जाता है। "आप के माध्यम से प्राप्त कर सकते हैं यदि आप काफी कठिन धक्का", लेविन कहते हैं। लेकिन फिर, आप कोशिकाओं को मारने का अंत कर सकते हैं। इसलिए लेविन ने एक अप्रत्याशित सहयोगी से मदद की याचना की: एक वायरस। आखिरकार, वायरस "अपने जीन को अपने मेजबान के जीनोम में डालने में सक्षम होने के लिए विकसित हुआ है - यह है कि वे कैसे जीवित रहते हैं और प्रजनन करते हैं, " वह कहती हैं।

लेविन ने एक वायरस को संक्रमित किया जो सिम्बियोडिनियम को संक्रमित करता था, और आणविक रूप से इसे बदल दिया ताकि यह कोशिकाओं को मार न सके। इसके बजाय, उसने इसे गर्मी सहन करने वाले जीनों के लिए एक सौम्य वितरण प्रणाली होने के लिए इंजीनियर किया। अपने पेपर में, लेविन का तर्क है कि वायरस का पेलोड CRISPR का उपयोग कर सकता है, जो सफलता जीन एडिटिंग तकनीक है, जो बैक्टीरिया द्वारा उपयोग की जाने वाली एक प्राकृतिक प्रक्रिया पर निर्भर करती है, उन अतिरिक्त जीनों को सिम्बायोडिनियम के एकल भाग के क्षेत्र में काटने और चिपकाने के लिए जहां वे अत्यधिक होंगे। व्यक्त की है।

यह काफी सरल लगता है। एक जीवित पारिस्थितिकी तंत्र के साथ खिलवाड़ करना कभी भी सरल नहीं होता है, बर्मिंघम विश्वविद्यालय में जीव विज्ञान के प्रोफेसर डस्टिन केम्प कहते हैं, जो प्रवाल भित्तियों पर जलवायु परिवर्तन के पारिस्थितिक प्रभावों का अध्ययन करते हैं। केम्प कहते हैं, "मैं इन समाधानों के संरक्षण और आनुवांशिक रूप से मदद करने के पक्ष में बहुत अधिक हूं।" लेकिन "पुनर्निर्माण की रीफ़्स जो बनने में हज़ारों साल लग गए हैं, एक बहुत ही चुनौतीपूर्ण काम होने जा रहा है।"

सिंबियोडिनियम उपभेदों की चौंका देने वाली विविधता को ध्यान में रखते हुए, जो कि केवल एक प्रवाल प्रजाति के भीतर रहते हैं, भले ही आनुवंशिक संशोधन के लिए एक मजबूत व्यवस्था थी, केम्प आश्चर्यचकित करता है कि क्या यह कभी संभव नहीं होगा कि उस विविधता को बहाल करने के लिए पर्याप्त अलग-अलग सुपर सिम्बिनियम इंजीनियर कर सकें। "यदि आप एक पुराने विकास वन को काटते हैं और फिर बाहर निकलते हैं और कुछ देवदार के पेड़ लगाते हैं, तो क्या वह वास्तव में जंगल को बचा रहा है या पुनर्निर्माण कर रहा है?"

लेकिन केम्प इस बात से सहमत हैं कि चट्टानें खतरनाक दर से मर रही हैं, सिम्बोइडिनियम के प्राकृतिक विकास के लिए बहुत तेज़ हैं। "अगर कोरल [वार्मिंग वॉटर] को संभालने के लिए तेजी से विकसित हो रहे थे, तो आपको लगता है कि हमने इसे अब तक देखा होगा, " वे कहते हैं।

थॉमस मॉक, यूके में ईस्ट एंग्लिया विश्वविद्यालय में एक समुद्री सूक्ष्म जीवविज्ञानी और आनुवंशिक रूप से फाइटोप्लांकटन को संशोधित करने में अग्रणी हैं, यह भी बताते हैं कि डिनोफ्लैगलेट जीव विज्ञान अभी भी रहस्य में काफी हद तक सुनिश्चित है। "मेरे लिए यह चारों ओर गड़बड़ है, " वे कहते हैं। “लेकिन यह है कि यह आमतौर पर कैसे शुरू होता है। उत्तेजक तर्क हमेशा अच्छा होता है - यह बहुत ही चुनौतीपूर्ण होता है, लेकिन चलो कहीं न कहीं शुरुआत करते हैं और देखते हैं कि हम क्या हासिल कर सकते हैं। ”हाल ही में, ऑस्ट्रेलियाई सरकार के विज्ञान प्रभाग, सीएसआईआरओ ने घोषणा की है कि यह कोरल सिम्पटम्स में आनुवांशिक संशोधनों पर शोध जारी रखने के लिए प्रयोगशालाओं को निधि देगा।

जब यह मानव स्वास्थ्य की बात आती है - उदाहरण के लिए, मनुष्यों को मलेरिया या जीका जैसी विनाशकारी बीमारियों से बचाने के लिए - वैज्ञानिक अधिक कठोर तकनीकों का प्रयास करने के लिए तैयार हो गए हैं, जैसे कि मच्छरों को रिहा करने के लिए आनुवंशिक रूप से घातक जीन पर पारित करने के लिए प्रोग्राम किया गया। कोरल को बचाने के लिए आवश्यक आनुवंशिक संशोधनों, लेविन का तर्क है, लगभग चरम नहीं होगा। वह कहती हैं कि आनुवांशिक रूप से संशोधित सिंबियोडिनियम को मरने वाले प्रवाल भित्तियों को फिर से खोलने के लिए पर्यावरण में संशोधित करने से पहले बहुत अधिक नियंत्रित प्रयोगशाला परीक्षण की आवश्यकता होती है।

"जब हम बात कर रहे हैं 'आनुवंशिक रूप से इंजीनियर, ' हम इन प्रजातियों को काफी बदल नहीं रहे हैं, " वह कहती हैं। उन्होंने कहा, '' हम परस्पर उत्परिवर्ती चीजें नहीं बना रहे हैं। हम जो कुछ करने की कोशिश कर रहे हैं, वह उन्हें एक जीन की एक अतिरिक्त प्रतिलिपि दे रहा है जो उन्हें पहले से ही उनकी मदद करने के लिए है ... हम पागल वैज्ञानिक बनने की कोशिश नहीं कर रहे हैं। "