नूह व्हिटमैन की प्रयोगशाला में फल मक्खियाँ आपके स्वास्थ्य के लिए खतरनाक हो सकती हैं।
व्हिटमैन और उनके कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले के सहयोगियों ने पूरी तरह से स्वादिष्ट फल मक्खियों - कम से कम, मेंढकों और पक्षियों के लिए स्वादिष्ट - को संभावित जहरीले शिकार में बदल दिया है, जो उन्हें खाने वाली हर चीज में उल्टी का कारण बन सकता है।पर्याप्त मात्रा में, मक्खियाँ संभवतः आईपेकैक सिरप के उबकाई प्रभाव की तरह, मानव उल्टी भी करेंगी।
ऐसा इसलिए है क्योंकि टीम ने आनुवंशिक रूप से मक्खियों को CRISPR-Cas9 जीन संपादन का उपयोग करके इंजीनियर किया, ताकि वे बिना मरे मिल्कवीड खा सकें और इसके विषाक्त पदार्थों को अलग कर सकें, जैसे कि अमेरिका की सबसे प्रिय तितली, मोनार्क, शिकारियों को रोकने के लिए करती है।
यह पहली बार है कि किसी ने बहुकोशिकीय जीव में विकासवादी उत्परिवर्तनों का एक सेट बनाया है जो पर्यावरण के लिए पूरी तरह से नए अनुकूलन की ओर ले जाता है - इस मामले में, एक नया आहार और शिकारियों को रोकने का नया तरीका।
मोनार्क कैटरपिलर की तरह, CRISPRed फ्रूट फ्लाई मैगॉट्स मिल्कवीड पर पनपते हैं, जिसमें ऐसे विषाक्त पदार्थ होते हैं जो मनुष्यों सहित अधिकांश अन्य जानवरों को मार देते हैं।कीड़े अपने शरीर में विषाक्त पदार्थों को संग्रहित करते हैं और वयस्क मक्खियों में बदलने के बाद कायापलट के माध्यम से उन्हें बनाए रखते हैं, जिसका अर्थ है कि वयस्क "मोनार्क मक्खियाँ" भी जानवरों को परेशान कर सकती हैं।
टीम ने एक ही जीन में तीन सीआरआईएसपीआर संपादन करके यह उपलब्धि हासिल की: आनुवंशिक उत्परिवर्तन के समान संशोधन जो मोनार्क तितलियों को मिल्कवीड पर भोजन करने और उसके जहर को अलग करने की अनुमति देते हैं।मोनार्क में इन उत्परिवर्तनों ने इसे आम जहरीले पौधों को खाने की अनुमति दी है जो अन्य कीड़े नहीं खा सकते हैं और ये पूरे उत्तरी और मध्य अमेरिका में तितली की समृद्ध उपस्थिति के लिए महत्वपूर्ण हैं।
ट्रिपल आनुवंशिक उत्परिवर्तन वाली मक्खियाँ जंगली फल मक्खी की तुलना में मिल्कवीड विष के प्रति 1,000 गुना कम संवेदनशील साबित हुईं,ड्रोसोफिला मेलानोगास्टर.
व्हिटमैन और उनके सहयोगी जर्नल के 2 अक्टूबर के अंक में अपने प्रयोग का वर्णन करेंगेप्रकृति.
सम्राट उड़ता है
यूसी बर्कले के शोधकर्ताओं ने बिना किसी संदेह के यह स्थापित करने के लिए इन मोनार्क मक्खियों का निर्माण किया, कि मोनार्क तितलियों के जीनोम में आनुवंशिक परिवर्तन उन्हें दण्ड से मुक्ति के साथ मिल्कवीड खाने की अनुमति देने के लिए आवश्यक थे।उन्होंने आश्चर्यजनक रूप से पाया कि एक जीन में केवल तीन एकल-न्यूक्लियोटाइड प्रतिस्थापन फल मक्खियों को मोनार्क के समान विष प्रतिरोध देने के लिए पर्याप्त हैं।
इंटीग्रेटिव बायोलॉजी के एसोसिएट प्रोफेसर व्हाइटमैन ने कहा, "हमने केवल तीन साइटें बदलीं और हमने ये सुपरफ्लाइज बनाईं।""लेकिन मेरे लिए, सबसे आश्चर्यजनक बात यह है कि हम विकासवादी परिकल्पनाओं का परीक्षण इस तरह से करने में सक्षम थे जो सेल लाइनों के बाहर कभी संभव नहीं था। सीआरआईएसपीआर के साथ उत्परिवर्तन पैदा करने की क्षमता के बिना इसे खोजना मुश्किल होता।"
व्हिटमैन की टीम ने यह भी दिखाया कि 20 अन्य कीट समूह मिल्कवीड और संबंधित जहरीले पौधों को खाने में सक्षम हैं - जिनमें पतंगे, भृंग, ततैया, मक्खियाँ, एफिड्स, एक घुन और एक असली बग शामिल हैं, जिनमें से अधिकांश शिकारियों को चेतावनी देने के लिए नारंगी रंग पहनते हैं -इन पौधों के जहरों के विषाक्त प्रभावों को अलग-अलग डिग्री तक दूर करने के लिए समान अमीनो एसिड स्थितियों में से एक, दो या तीन में स्वतंत्र रूप से उत्परिवर्तन विकसित किया गया।
वास्तव में, उनकी टीम ने उन एक, दो या तीन उत्परिवर्तनों का पुनर्निर्माण किया, जिनके कारण चार तितली और कीट वंशों में से प्रत्येक का जन्म हुआ, प्रत्येक उत्परिवर्तन विष के प्रति कुछ प्रतिरोध प्रदान करता था।मोनार्क तितली को मिल्कवीड का राजा बनाने के लिए ये तीनों उत्परिवर्तन आवश्यक थे।
हालाँकि, मिल्कवीड विष के प्रतिरोध की कीमत चुकानी पड़ती है।मोनार्क मक्खियाँ झटकों से उबरने में उतनी जल्दी सक्षम नहीं होती हैं, जैसे हिल जाना - एक परीक्षण जिसे "बैंग" संवेदनशीलता के रूप में जाना जाता है।
व्हाइटमैन ने कहा, "इससे पता चलता है कि तंत्रिका तंत्र की रिकवरी और शायद अन्य चीजों के बारे में हम नहीं जानते हैं, उत्परिवर्तन की लागत है।""लेकिन एक शिकारी से बचने में सक्षम होने का लाभ इतना अधिक है... यदि यह मौत या विषाक्त पदार्थ है, तो विषाक्त पदार्थ जीतेंगे, भले ही इसकी कोई कीमत चुकानी पड़े।"
पौधा बनाम कीट
व्हिटमैन को पौधों और परजीवियों के बीच विकासवादी लड़ाई में रुचि है और वह विकासवादी अनुकूलन से प्रभावित था जिसने सम्राट को मिल्कवीड की विषाक्त रक्षा को हराने की अनुमति दी थी।वह यह भी जानना चाहता था कि क्या अन्य कीड़े जो प्रतिरोधी हैं - हालांकि वे मोनार्क की तुलना में कम प्रतिरोधी हैं - विष को निष्क्रिय करने के लिए इसी तरह की चाल का उपयोग करते हैं।
"चूंकि 400 मिलियन वर्ष पहले पौधों और जानवरों ने पहली बार भूमि पर आक्रमण किया था, इसलिए माना जाता है कि इस सह-विकासवादी हथियारों की दौड़ ने बहुत सारे पौधों और जानवरों की विविधता को जन्म दिया है जो हम देखते हैं, क्योंकि अधिकांश जानवर कीड़े हैं, और अधिकांश कीड़े शाकाहारी हैं: वे खाते हैंपौधे," उन्होंने कहा।
मिल्कवीड्स और फॉक्सग्लोव, डिजिटॉक्सिन और डिगॉक्सिन के स्रोत सहित कई अन्य पौधों में संबंधित विषाक्त पदार्थ होते हैं - जिन्हें कार्डियक ग्लाइकोसाइड कहा जाता है - जो एक हाथी और धड़कते दिल वाले किसी भी प्राणी को मार सकते हैं।हृदय पर फॉक्सग्लोव के प्रभाव का कारण यह है कि जीनस डिजिटलिस में पौधे के अर्क का उपयोग सदियों से हृदय की स्थितियों के इलाज के लिए किया जाता रहा है, और क्यों डिगॉक्सिन और डिजिटॉक्सिन का उपयोग आज कंजेस्टिव हृदय विफलता के इलाज के लिए किया जाता है।
इन पौधों की कड़वाहट ही अधिकांश जानवरों को हतोत्साहित करने के लिए पर्याप्त है, लेकिन कीड़ों की एक छोटी सी अल्पसंख्यक आबादी, जिसमें मोनार्क भी शामिल है (डैनौस प्लेक्सीपस) और उसकी रिश्तेदार, रानी तितली (डैनौस गिलिपस), मिल्कवीड से प्यार करना और शिकारियों को दूर भगाने के लिए इसका इस्तेमाल करना सीख लिया है।
व्हिटमैन ने उल्लेख किया कि सम्राट एक उष्णकटिबंधीय वंश है जिसने पिछले हिमयुग के बाद उत्तरी अमेरिका पर आक्रमण किया था, आंशिक रूप से तीन उत्परिवर्तनों द्वारा सक्षम किया गया था जिसने उसे एक जहरीला पौधा खाने की अनुमति दी थी जो अन्य जानवर नहीं खा सकते थे, जिससे उसे जीवित रहने की बढ़त मिली और शिकारियों के खिलाफ प्राकृतिक सुरक्षा मिली।.
उन्होंने कहा, "सम्राट सभी कीड़ों में से सबसे अच्छे तरीके से जहर का प्रतिरोध करता है, और इसकी आबादी का आकार उनमें से सबसे बड़ा है; यह पूरी दुनिया में है।"
नए पेपर से पता चलता है कि उत्परिवर्तन सही क्रम में होने चाहिए, अन्यथा मक्खियाँ तीन अलग-अलग उत्परिवर्तन घटनाओं से कभी नहीं बच पातीं।
सोडियम पंप को विफल करना
इन पौधों में मौजूद जहर, जिनमें से अधिकांश एक प्रकार के कार्डेनोलाइड हैं, सोडियम/पोटेशियम पंप (Na+/K+-ATPase) में हस्तक्षेप करते हैं जिसका उपयोग शरीर की अधिकांश कोशिकाएं सोडियम आयनों को बाहर और पोटेशियम आयनों को अंदर ले जाने के लिए करती हैं। पंप एक आयन बनाता हैअसंतुलन जिसका उपयोग कोशिका अपने पक्ष में करती है।उदाहरण के लिए, तंत्रिका कोशिकाएं अपने विस्तारित कोशिका पिंडों या अक्षतंतु के साथ एक तरंग में सोडियम और पोटेशियम द्वार खोलकर संकेत संचारित करती हैं जो अक्षतंतु से नीचे की ओर जाती हैं, जिससे असंतुलन को संतुलित करने के लिए आयनों को अंदर और बाहर प्रवाहित होने की अनुमति मिलती है।तरंग गुजरने के बाद, सोडियम पंप आयनिक असंतुलन को फिर से स्थापित करता है।
फॉक्सग्लोव से प्राप्त डिजीटॉक्सिन और मिल्कवीड में मुख्य विष ओबैन, पंप को अवरुद्ध करते हैं और कोशिका को सोडियम/पोटेशियम ग्रेडिएंट स्थापित करने से रोकते हैं।इससे कोशिका में आयन सांद्रता अव्यवस्थित हो जाती है, जिससे सभी प्रकार की समस्याएँ पैदा होती हैं।हृदय वाले जानवरों, जैसे पक्षियों और मनुष्यों में, हृदय कोशिकाएं इतनी ज़ोर से धड़कने लगती हैं कि हृदय विफल हो जाता है;परिणाम हृदय गति रुकने से मृत्यु है।
वैज्ञानिक दशकों से जानते हैं कि ये विषाक्त पदार्थ सोडियम पंप के साथ कैसे संपर्क करते हैं: वे पंप प्रोटीन के उस हिस्से को बांध देते हैं जो कोशिका झिल्ली के माध्यम से चिपक जाता है, जिससे चैनल अवरुद्ध हो जाता है।उन्होंने प्रोटीन पंप में दो विशिष्ट अमीनो एसिड परिवर्तन या उत्परिवर्तन की भी पहचान की है जो मोनार्क और अन्य कीड़े विष को बंधन से रोकने के लिए विकसित हुए थे।
लेकिन व्हिटमैन और उनके सहयोगी इस स्पष्टीकरण से संतुष्ट नहीं थे: कि कीड़ों ने संयोगवश सोडियम पंप में 14 अलग-अलग बार समान दो समान उत्परिवर्तन विकसित किए, कहानी का अंत।2012 में CRISPR-Cas9 जीन एडिटिंग के आगमन के साथ, जिसे यूसी बर्कले की जेनिफर डौडना ने तैयार किया था, व्हिटमैन और उनके सहयोगियों कॉर्नेल यूनिवर्सिटी के अनुराग अग्रवाल और जर्मनी में हैम्बर्ग यूनिवर्सिटी की सुज़ैन डोबलर ने इन उत्परिवर्तनों को फिर से बनाने के लिए अनुदान के लिए टेम्पलटन फाउंडेशन में आवेदन किया था।फल मक्खियों और यह देखने के लिए कि क्या वे मक्खियों को कार्डेनोलाइड्स के विषाक्त प्रभावों के प्रति प्रतिरक्षित बना सकते हैं।
सात साल, कई असफल प्रयास और बाद में राष्ट्रीय स्वास्थ्य संस्थान से एक नया अनुदान, ह्यूस्टन, टेक्सास के जेनेटीविज़न के समर्पित सीआरआईएसपीआर कार्य के साथ, उन्होंने अंततः अपना लक्ष्य हासिल कर लिया।इस प्रक्रिया में, उन्होंने सोडियम पंप में एक तीसरे महत्वपूर्ण, प्रतिपूरक उत्परिवर्तन की खोज की जो कि अंतिम और सबसे शक्तिशाली प्रतिरोध उत्परिवर्तन के टिकने से पहले होना था।इस प्रतिपूरक उत्परिवर्तन के बिना, कीड़े मर गए।
उनके जासूसी कार्य के लिए फल मक्खी के स्वयं के सोडियम पंप जीन में विभिन्न क्रमों में सिंगल, डबल और ट्रिपल म्यूटेशन डालने की आवश्यकता थी, ताकि यह आकलन किया जा सके कि कौन सा आवश्यक था।सोडियम पंप जीन में दो ज्ञात अमीनो एसिड परिवर्तनों में से केवल एक वाले कीड़े पौधों के जहर का विरोध करने में सबसे अच्छे थे, लेकिन उनके गंभीर दुष्प्रभाव भी थे - तंत्रिका तंत्र की समस्याएं - इस तथ्य के अनुरूप कि मनुष्यों में सोडियम पंप उत्परिवर्तन अक्सर होते हैंदौरे से संबंधित.हालाँकि, तीसरा, प्रतिपूरक उत्परिवर्तन किसी तरह अन्य दो उत्परिवर्तन के नकारात्मक प्रभावों को कम करता है।
"एक प्रतिस्थापन जो विकसित हुआ है वह कमजोर प्रतिरोध प्रदान करता है, लेकिन यह हमेशा मौजूद रहता है और उन प्रतिस्थापनों की अनुमति देता है जो सबसे अधिक प्रतिरोध प्रदान करने वाले हैं," आनुवंशिकीविद् और विकासवादी जीवविज्ञानी, पोस्टडॉक्टरल फेलो मारियाना करागोर्गी ने कहा।"कीट में यह प्रतिस्थापन प्रतिरोध प्रतिस्थापन को खोलता है, जिससे प्रतिरोध की न्यूरोलॉजिकल लागत कम हो जाती है। क्योंकि यह विशेषता कई बार विकसित हुई है, हमने यह भी दिखाया है कि यह यादृच्छिक नहीं है।"
तथ्य यह है कि सबसे प्रतिरोधी उत्परिवर्तन वाले कीड़ों के जीवित रहने से पहले एक प्रतिपूरक उत्परिवर्तन की आवश्यकता होती है, जिससे इस बात पर बाधा उत्पन्न होती है कि कीड़े विष प्रतिरोध कैसे विकसित कर सकते हैं, यह बताते हुए कि सभी 21 वंश एक ही समाधान पर क्यों एकत्रित हुए, व्हिटमैन ने कहा।अन्य स्थितियों में, जैसे कि जहां शामिल प्रोटीन जीवित रहने के लिए इतना महत्वपूर्ण नहीं है, जानवरों को अलग-अलग समाधान मिल सकते हैं।
"यह इस सवाल का जवाब देने में मदद करता है, 'अभिसरण कभी-कभी क्यों विकसित होता है, लेकिन अन्य बार नहीं?'" व्हाइटमैन ने कहा।"हो सकता है कि बाधाएं अलग-अलग हों। यह एक सरल उत्तर है, लेकिन अगर आप इसके बारे में सोचते हैं, तो इन तीन उत्परिवर्तनों ने कार्डेनोलाइड प्रतिरोध के संबंध में ड्रोसोफिला प्रोटीन को मोनार्क प्रोटीन में बदल दिया। यह उल्लेखनीय है।"
शोध को टेम्पलटन फाउंडेशन और नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ हेल्थ द्वारा वित्त पोषित किया गया था।व्हिटमैन और अग्रवाल के सह-लेखक यूसी बर्कले के सह-प्रथम लेखक मैरिएन्थी करागोर्गी और साइमन ग्रोएन हैं, जो अब न्यूयॉर्क विश्वविद्यालय में हैं;फ़्रांस में ऐक्स-मार्सिले यूनिवर्सिटी के फ़िदान सुम्बुल और फ़ेलिक्स रिको;यूसी बर्कले के जूलियन पेलेज़, कर्स्टन वर्स्टर, जेसिका एगुइलर, सुसान बर्नस्टीन, टेरुयुकी मात्सुनागा और माइकल एस्टोरियन;कॉर्नेल की एमी हेस्टिंग्स;और जर्मनी में यूनिवर्सिटैट हैम्बर्ग की सुज़ैन डोबलर।