वैज्ञानिकों ने स्क्रैच से एक खमीर क्रोमोजोम का निर्माण किया। अगला? डिजाइनर जीनोम

मनुष्य सदियों से सामान बनाने के लिए जैविक दुनिया के बारे में जो जानते हैं, उसका उपयोग करते हैं - बीयर से लेकर एंटीबायोटिक्स तक। लेकिन, क्या होगा अगर आप उस दुनिया में एक बहुत ही बुनियादी, आनुवंशिक स्तर पर हेरफेर कर सकते हैं जो आपको आवश्यक कुछ बनाने के लिए? एक दवा का उत्पादन करने, ऊर्जा उत्पन्न करने, या शरीर में एक रोगज़नक़ पर हमला करने के लिए एक सेल को प्रोग्रामिंग करना साइंस फिक्शन के सामान की तरह लगता है, लेकिन यह बात सिंथेटिक जीवविज्ञान के उभरते क्षेत्र का वादा करता है।

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एक बहुत ही बुनियादी स्तर पर, सिंथेटिक जीवविज्ञान लेगो से बाहर एक जटिल संरचना के निर्माण की तरह है। जिस तरह लेगो इंजीनियर को यह पता लगाना चाहिए कि सभी छोटे ब्लॉक एक साथ कैसे फिट होते हैं, वैज्ञानिकों को यह पता लगाना है कि इन जैविक संरचनाओं के निर्माण के लिए उन जेनेटिक तत्वों की आवश्यकता है और वे तत्व कैसे एक साथ फिट होते हैं, क्या यह एक जीन है, कुछ जीनों को शामिल करने वाला एक मार्ग है, या यहां तक ​​कि एक पूर्ण गुणसूत्र — एक संरचना जिसमें सैकड़ों जीन होते हैं।

पिछले सात वर्षों से, शोधकर्ताओं का एक अंतरराष्ट्रीय दल यह पता लगा रहा है कि जमीन से एक खमीर गुणसूत्र का निर्माण कैसे किया जाता है। अब, उन्होंने सफलतापूर्वक एक बनाया है और इसे एक जीवित खमीर सेल में एकीकृत किया है। विज्ञान में आज प्रकाशित उनका काम, सिंथेटिक जीव विज्ञान के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण प्रगति का प्रतीक है - पौधों और जानवरों के लिए डिजाइनर जीनोम बनाने की क्षमता की ओर सतर्क कदम।

NYU के लैंगोन मेडिकल सेंटर के एक आनुवंशिकीविद् और अध्ययन में एक सह-लेखक, जेफ बोके ने एक बयान में कहा, "यह अब तक बनाया गया सबसे व्यापक रूप से परिवर्तित क्रोमोसोम है। लेकिन वास्तव में गिना जाने वाला मील का पत्थर इसे एक जीवित खमीर कोशिका में एकीकृत कर रहा है।"

खमीर क्यों? एक बात के लिए, मनुष्यों का कवक के साथ एक लंबा रिश्ता है। ब्रेवर के खमीर ( Saccharomyces cerevisiae ) का इस्तेमाल प्राचीन काल से बीयर और बेक रोटी बनाने के लिए किया जाता रहा है। आज, आधुनिक औद्योगिक जैव प्रौद्योगिकी क्षेत्र टीकों, दवाओं और जैव ईंधन बनाने के लिए खमीर का उपयोग करना शुरू कर रहा है। आधुनिक जीवविज्ञान प्रयोगशाला में, खमीर भी एक मॉडल जीव है क्योंकि इसकी कोशिकाएं मानव कोशिकाओं के समान कार्य करती हैं। मानव और खमीर दोनों यूकेरियोट्स हैं, जिसका अर्थ है कि उनकी कोशिकाओं में एक केंद्रीय हब होता है जिसे एक नाभिक कहा जाता है जो डीएनए को कसकर घाव के गुणसूत्रों में संग्रहीत करता है। नतीजतन, हम खमीर जीव विज्ञान और आनुवंशिकी के बारे में बहुत कुछ जानते हैं।

जेनेटिकिस्ट जेफ बोके एक विशिष्ट गुणसूत्र के सिंथेटिक संस्करण वाले खमीर कालोनियों की एक प्लेट की जांच करते हैं (फोटो: NYU लैंगोन)

सेल नाभिक के बिना जीवों के लिए, सिंथेटिक जीव विज्ञान ने पहले से ही पूरे जीनोम का उत्पादन किया है, हालांकि। वैज्ञानिकों ने लगभग एक दशक तक वायरस को फिर से तैयार किया और पुन: पेश किया। 2008 में, मैरीलैंड में जे। क्रेग वेंटर इंस्टीट्यूट के शोधकर्ताओं ने एक पूर्ण जीवाणु जीनोम का निर्माण किया और सिंथेटिक जीनोम (एकल कोशिका वाले जीवाणु) के साथ पहले जीवित जीव का उत्पादन करने के लिए आगे बढ़े। लेकिन इस तरह के एक माइक्रोबियल जीनोम में केवल एक गुणसूत्र होता है, जबकि मनुष्य के पास होता है 23 जोड़े और शराब बनाने वाले खमीर में 16 हैं। नाटक में इतने सारे जीन होने का मतलब बहुत अधिक परिवर्तनशीलता हो सकता है, जैसे कि एक जीन को ट्विक करना जीनोम में निहितार्थों तक पहुंच सकता है।

खमीर के गुणसूत्रों में से एक, उदाहरण के लिए, खमीर संभोग प्रकार (लिंग की तरह) के लिए एक जीन होता है जो अपने आप में जीनोम में कई अन्य जीनों को नियंत्रित करता है। इसने इसे बोके और उनके सहयोगियों के लिए एक आकर्षक शुरुआती बिंदु बना दिया। एक कंप्यूटर पर, उन्होंने डिजाइन किया कि वे इस गुणसूत्र के अपने सिंथेटिक संस्करण को किस तरह देखना चाहते हैं। तब बाल्टीमोर में जॉन्स हॉपकिन्स विश्वविद्यालय में, बोके की टीम को डीएनए की आवश्यकता थी, इसलिए उन्होंने 2007 में "बिल्ड-ए-जीनोम" पाठ्यक्रम के माध्यम से स्नातक छात्रों की मदद की घोषणा करना शुरू कर दिया। छात्रों ने न्यूक्लियोटाइड्स को एक साथ जोड़ दिया, यौगिकों ने डीएनए स्ट्रैंड का निर्माण किया, जिससे शॉर्ट बनाने के लिए। आनुवंशिक अनुक्रम या "बिल्डिंग ब्लॉक्स" के स्निपेट्स।

उन बिल्डिंग ब्लॉक्स को बड़े "माइनिचॉक्स" में गोंद करने के लिए, शोधकर्ताओं ने विभिन्न एंजाइम उपचारों का इस्तेमाल किया और यहां तक ​​कि खमीर की अपनी आनुवंशिक विधानसभा मशीनरी का भी उपयोग किया। अंत में, उन्होंने खमीर के डीएनए के टुकड़े को फिर से इकट्ठा करने के लिए खमीर की प्रवृत्ति का फायदा उठाया, जिसे चंक ने काट लिया। आखिरकार, खमीर ने सिंथेटिक संस्करण के साथ चुने गए मूल गुणसूत्र को बदल दिया। बोके ने पूरी प्रक्रिया को एक किताब बनाने के लिए पसंद किया है: आप शब्दों को बनाने से शुरू करते हैं, फिर पैराग्राफ, पृष्ठ, अध्याय और अंत में खुद किताब।

एक बार जब उन्होंने इसे बनाया, तो बोके और उनके सहयोगी खमीर कोशिकाओं में सिंथेटिक गुणसूत्र की कार्यक्षमता का परीक्षण करना चाहते थे। शोधकर्ताओं ने गुणसूत्रों को गैर-संभावित माना जाने वाले जीन पर विशेष मार्करों को शामिल करने के लिए डिज़ाइन किया था - मार्करों को इंजीनियर किया गया था ताकि जीन को हाथापाई, हटाने, या डुप्लिकेट करने के लिए एंजाइम द्वारा ट्रिगर किया जा सके।

टीम ने तब मार्करों को व्यवस्थित रूप से कोड-जोखिम भरे व्यवसाय में विशिष्ट बिंदुओं पर सिंथेटिक गुणसूत्र में 50, 000 से अधिक परिवर्तन करने के लिए व्यवस्थित किया क्योंकि यादृच्छिक परिवर्तन आसानी से खमीर कोशिका को मार सकते थे। बोके कहते हैं, "यह बहुत ही व्यापक रूप से संपादित गुणसूत्र है।" जब उन्होंने जीन को बदल दिया या नष्ट कर दिया, तो कुछ कोशिकाएं विभिन्न स्थितियों में दूसरों की तुलना में बेहतर हो गईं, लेकिन सभी कोशिकाएं बढ़ीं।

इसके अलावा, कोई फर्क नहीं पड़ता कि शोधकर्ताओं ने बढ़ती परिस्थितियों को कैसे बदल दिया, सिंथेटिक गुणसूत्र वाली कोशिकाओं ने अभी भी खमीर कालोनियों को जन्म दिया। बोके कहते हैं, "इन सभी परिवर्तनों के बावजूद, हमें वास्तव में एक खमीर मिला है जो खमीर की तरह दिखता है, एक खमीर की तरह बदबू आती है और शराब बनाता है।" अलग है। "इसका मतलब है कि खमीर जीनोम- कम से कम उन हिस्सों को जो शोधकर्ताओं ने बदलने के लिए शुरू किया था - अत्यधिक लचीला है और बहुत सारे उत्परिवर्तन को संभाल सकता है, एक खोज जो एक आनुवंशिक इंजीनियरिंग दृष्टिकोण से बहुत प्रभावशाली है।

बोके और उनके सहयोगियों द्वारा निर्मित डिजाइनर खमीर गुणसूत्र का एक नक्शा। (छवि: बोके एट अल।)

“यह काम खरोंच से संश्लेषित किए गए पहले डिजाइनर यूकेरियोटिक गुणसूत्र की रिपोर्ट करता है, जो एक डिजाइनर यूकेरियोटिक जीनोम के निर्माण की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है। यह कई वैज्ञानिक और तकनीकी सवालों के जवाब के लिए दरवाजे खोलता है, “हुरिमिन झाओ, अर्बाना विश्वविद्यालय में एक बायोमॉलीक्यूलर इंजीनियर अर्बाना-शैंपेन में कहते हैं।

उदाहरण के लिए, बोके की टीम द्वारा बनाया गया सिंथेटिक गुणसूत्र सामान्य क्रोमोसोम की तुलना में 14 प्रतिशत छोटा है जिसे उन्होंने डुप्लिकेट करने की मांग की थी। तो, सबसे छोटे जीनोम को एक क्रियाशील खमीर सेल बनाने की क्या आवश्यकता होगी? यहां लागू विधियों के आधार पर, वे उन प्रश्नों का परीक्षण प्रयोगशाला में शुरू कर सकते हैं। और यद्यपि शोध के रास्ते अबाउट हैं, बोके कहते हैं कि उनकी टीम का अगला कदम पूरे खमीर जीनोम को संश्लेषित करने के लिए इन तकनीकों का उपयोग करना होगा।

जीनोम को संश्लेषित करने के बाद, शोधकर्ता, सिद्धांत रूप में, एक अलग पैमाने पर विभिन्न जीनों को मोड़ने के लिए मार्करों का उपयोग कर सकते हैं। इस उन्हें अनुमति दे सकता है विशिष्ट प्रयोजनों के लिए उपयुक्त सिंथेटिक जीनोम के साथ खमीर कोशिकाओं को अनुकूलित करें।

उदाहरण के लिए, कुछ जैव प्रौद्योगिकी फर्मों ने मलेरिया दवा आर्टेमिसिनिन के सिंथेटिक संस्करण की बड़ी मात्रा का उत्पादन करने के लिए पहले से ही तेजी से नकल करने वाले खमीर कोशिकाओं में जीन डाला है, और इंजीनियरिंग एक डिजाइनर जीनोम विनिर्माण प्रक्रिया में सुधार कर सकता है। एक डिजाइनर जीनोम इंजीनियरिंग निर्माण प्रक्रिया में सुधार कैसे करेगा? विशेष रूप से अनुरूप खमीर के साथ कौन सी नई प्रकार की दवाएं बनाई जा सकती हैं? या कम परोपकारी स्तर पर, किस प्रकार के बियर? चाहे आप मानव रोगों का इलाज करना चाहते हों या दिन के अंत में केवल एक संतोषजनक ठंड चाहते हों, सिंथेटिक जीव विज्ञान अब आपकी मदद करने के करीब है।