कंप्यूटर द्वारा डिज़ाइन किया गया पहला जीवाणु जीनोम है

Caulobacter crescentus - दुनिया भर में ताजे पानी में रहने वाला एक सुरक्षित जीवाणु है

जीवों के सभी ज्ञात जीनोम को संयुक्त राज्य अमेरिका में नेशनल सेंटर फॉर बायोटेक्नोलॉजिकल इन्फॉर्मेशन के स्वामित्व वाले डेटाबेस में संग्रहीत किया जाता है। अब डेटाबेस में एक प्रविष्टि है: Caulobacter ethensis-2.0 । यह दुनिया का पहला पूरी तरह से कम्प्यूटरीकृत जीवित जीव जीनोम है, जिसे ETH ज्यूरिख के वैज्ञानिकों द्वारा विकसित किया गया है। इस बात पर जोर दिया जाना चाहिए कि, हालांकि कैओलोबैक्टर एथेंसिस -2.0 जीन को भौतिक रूप से एक बहुत बड़े डीएनए अणु के रूप में प्राप्त किया गया था, लेकिन संबंधित जीव अभी तक मौजूद नहीं है।

Caulobacter Ethensis-2.0 अच्छी तरह से अध्ययन किए गए और सुरक्षित मीठे पानी के जीवाणु Caulobacter crescentus के जीनोम पर आधारित है, जो दुनिया भर में प्राकृतिक रूप से वसंत जल, नदियों और झीलों में पाया जाता है। इससे कोई बीमारी नहीं होती है। बैक्टीरिया के जीवन का अध्ययन करने के लिए आमतौर पर अनुसंधान प्रयोगशालाओं में इस्तेमाल किया जाने वाला कैओलोबैक्टीरियल क्रिसेन्टस भी एक मॉडल जीव है। इस जीवाणु के जीनोम में 4000 जीन होते हैं। वैज्ञानिकों ने पहले दिखाया कि प्रयोगशाला में बैक्टीरिया के अस्तित्व में इनमें से केवल 680 ही महत्वपूर्ण हैं।

बीटी क्रिस्टन, ईटीएच ज्यूरिख में प्रायोगिक प्रणालियों के जीव विज्ञान के प्रोफेसर, और उनके भाई मैथियास क्रिस्टन, ईटीएच ज्यूरिख के रसायनज्ञ, ने आधार के रूप में न्यूनतम कैलोबैक्टर अर्धचंद्र जीनोम लिया। वे रासायनिक रूप से इस जीन को खरोंच से एक सतत रिंग क्रोमोसोम के रूप में संश्लेषित करते थे। इस कार्य को वास्तव में कठिन माना जाता है: एक रासायनिक रूप से संश्लेषित जीवाणु जीनोम, 11 साल पहले अमेरिकी जेनेटिक्स क्रेग वेंटर द्वारा पेश किया गया था, 20 वैज्ञानिकों द्वारा 10 साल के काम का परिणाम था। वे कहते हैं कि परियोजना की लागत $ 40 मिलियन है।

असेंबली प्रक्रिया को कारगर बनाएं

जबकि वेंटर समूह ने प्राकृतिक जीनोम की एक सटीक प्रतिलिपि बनाई थी, ETH ज्यूरिख के वैज्ञानिकों ने कंप्यूटर एल्गोरिथम का उपयोग करके जीनोम को मौलिक रूप से बदल दिया। उनकी प्रेरणा दो गुना थी: एक यह जीनोम को संश्लेषित करने के लिए बहुत आसान बनाने के लिए, और दूसरा जीव विज्ञान की मूलभूत समस्याओं को हल करने के लिए।

एक जीवाणु जीन के आकार का एक डीएनए अणु बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को कदम से कदम उठाना चाहिए। Caulobacter जीनोम के मामले में, ETH ज्यूरिख के वैज्ञानिकों ने जीनोम के 236 अंशों को संश्लेषित किया, जिसे उन्होंने बाद में सिला। "इन टुकड़ों का संश्लेषण हमेशा सरल नहीं होता है," माथियास क्रिस्टन बताते हैं। "डीएनए अणुओं में न केवल अन्य डीएनए अणुओं का पालन करने की क्षमता है, लेकिन अनुक्रम के आधार पर, वे लूप और समुद्री मील में भी मोड़ सकते हैं, जो संश्लेषण प्रक्रिया को जटिल कर सकते हैं या असंभव बना सकते हैं," माथियास क्रिस्टन बताते हैं।

सरलीकृत जीनोम

जीनोम के टुकड़ों को सबसे सरल तरीके से संश्लेषित करने के लिए, और फिर सभी टुकड़ों को सबसे सही तरीके से एक साथ रखा, वैज्ञानिकों ने वास्तविक आनुवंशिक जानकारी (प्रोटीन स्तर पर) को बदले बिना जीनोम के अनुक्रम को सरलीकृत किया। जीनोम को सरल बनाने के लिए कई संभावनाएं हैं क्योंकि जीव विज्ञान ने आनुवंशिक जानकारी संग्रहीत करने के लिए अंतर्निहित भंडार बनाए हैं। उदाहरण के लिए, कई अमीनो एसिड में डीएनए में अपनी जानकारी लिखने के लिए दो, चार या अधिक संभावनाएं होती हैं।

ETH ज्यूरिख के वैज्ञानिकों द्वारा विकसित एक एल्गोरिथ्म आनुवंशिक कोड के इस अतिरेक का इष्टतम उपयोग करता है। इस एल्गोरिथ्म का उपयोग करते हुए, उन्होंने जीनोम का संश्लेषण और निर्माण करने के लिए सबसे किफायती डीएनए अनुक्रम की गणना की, जिसका उपयोग उन्होंने अपने काम में किया।



इन विट्रो Caulobacter Ethensis-2.0 जीनोम में

नतीजतन, वैज्ञानिकों ने न्यूनतम जीनोम में कई छोटे बदलाव किए, जो कि प्रभावशाली है: कृत्रिम जीनोम में डीएनए के 800,000 अक्षरों में से छठे से अधिक को "प्राकृतिक" न्यूनतम जीनोम की तुलना में बदल दिया गया। "हमारे एल्गोरिथ्म के लिए धन्यवाद, हम अपने जीनोम को एक नए डीएनए पत्र अनुक्रम में पूरी तरह से फिर से लिखते हैं जो अब मूल अनुक्रम जैसा नहीं है। हालांकि, प्रोटीन स्तर पर जैविक कार्य को संरक्षित किया गया है, “बीट क्रिस्टन कहते हैं।

आनुवंशिकी में लिटमस परीक्षण

एक जैविक दृष्टिकोण से पुनर्लेखन जीन भी दिलचस्प है। बीट क्रिस्टन बताते हैं, "यह देखने के लिए कि क्या हमारे जीव विज्ञानी आनुवांशिकी को सही तरीके से समझते हैं, और यह हमें ज्ञान के संभावित अंतराल को उजागर करने की अनुमति देता है," हमारी पद्धति एक लिटमस परीक्षण है। स्वाभाविक रूप से, संचरित जीनोम में केवल वही जानकारी हो सकती है जिसे शोधकर्ताओं ने वास्तव में समझा था। संभावित "छिपी हुई" अतिरिक्त जानकारी जो डीएनए अनुक्रम में है और अभी तक वैज्ञानिकों द्वारा समझा नहीं गया है, नए कोड को संश्लेषित करने की प्रक्रिया में खो जाएगी।

वैज्ञानिकों ने बैक्टीरिया के उपभेदों को उगाया है जिसमें प्राकृतिक कैलोबैक्टर जीनोम और नए कृत्रिम जीन के टुकड़े शामिल हैं। इन जीवाणुओं में कुछ प्राकृतिक जीन को निष्क्रिय करके, वैज्ञानिक कृत्रिम जीन के कार्य का परीक्षण करने में सक्षम थे। उन्होंने बहु-चरणीय प्रक्रिया में प्रत्येक कृत्रिम जीन का परीक्षण किया।

इन प्रयोगों में, वैज्ञानिकों ने पाया कि 680 कृत्रिम जीनों में से केवल 580 कार्यात्मक थे। "ज्ञान के साथ, हम अपने एल्गोरिथ्म में सुधार कर सकते हैं और जीनोम 3.0 के एक पूरी तरह कार्यात्मक संस्करण को विकसित कर सकते हैं," बीट क्रिस्टन कहते हैं।

जैव प्रौद्योगिकी में विशाल क्षमता

"इस तथ्य के बावजूद कि जीनोम का वर्तमान संस्करण अभी तक सही नहीं है, फिर भी हमारा काम गैर-जैविक रूप से यह दर्शाता है कि जैविक प्रणाली इतने सरल तरीके से बनाई गई है कि भविष्य में हम अपने लक्ष्यों के अनुसार कंप्यूटर पर प्रोजेक्ट विनिर्देशों को विकसित करने में सक्षम होंगे, और उनका निर्माण करेंगे।" - मतिअस क्रिस्टन कहते हैं। और इसे अपेक्षाकृत सरल तरीके से प्राप्त किया जा सकता है, जैसा कि बीट क्रिस्टन ने जोर दिया: "क्रेग वेंटर के लिए दस साल लग गए, हमारे छोटे समूह ने केवल 120,000 स्विस फ़्रैंक के साथ एक साल के भीतर हमारी नई तकनीक का उपयोग किया।"

बीट क्रिस्टन कहते हैं, "हम मानते हैं कि इस तरह के जीनोम के साथ कार्यात्मक बैक्टीरिया कोशिकाओं का उत्पादन करना जल्द ही संभव होगा।" इस तरह के विकास में बड़ी क्षमता होगी। संभावित भविष्य के उपयोगों में सिंथेटिक सूक्ष्मजीव शामिल हैं जिनका उपयोग जैव प्रौद्योगिकी में किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, जटिल औषधीय रूप से सक्रिय अणुओं या विटामिन के संश्लेषण में। तकनीक को सभी सूक्ष्मजीवों के लिए सार्वभौमिक रूप से लागू किया जा सकता है, न कि केवल कैओलोबैक्टर के लिए । एक और संभावना डीएनए टीकों के उत्पादन की होगी।

बीट क्रिस्टन कहते हैं, "कोई फर्क नहीं पड़ता कि शोध परिणामों और उनके संभावित अनुप्रयोगों का वादा करने के लिए, उन्हें उन उद्देश्यों की गहरी समझ की आवश्यकता होती है जिनके लिए इस तकनीक का उपयोग किया जा सकता है, और साथ ही साथ, दुरुपयोग को कैसे रोकें"। यह अभी तक स्पष्ट नहीं है कि कृत्रिम जीन वाला पहला जीवाणु कब प्राप्त किया जाएगा, लेकिन अब यह स्पष्ट है कि इसे प्राप्त किया जा सकता है और विकसित होगा। “हमें उस समय का उपयोग करने की आवश्यकता है जो हमारे पास वैज्ञानिकों के साथ-साथ पूरे समाज में गहन चर्चा के लिए है। हम सभी के साथ इस चर्चा में योगदान करने के लिए तैयार हैं कि हमारे पास क्या है। "