दवाओं और अन्य उपयोगी पदार्थों का उत्पादन करने के लिए खमीर में जीन पेश करते समय, उत्पादन को विश्वसनीय रूप से चालू या बंद करना भी आवश्यक है। कोबे विश्वविद्यालय की एक टीम ने तीन जीन विनियमन डिजाइन सिद्धांत पाए जो सूक्ष्मजीवविज्ञानी उत्पादन के प्रभावी नियंत्रण के लिए एक लचीला दिशानिर्देश प्रदान करते हैं।
ऐसा कहा जाता है कि डीएनए जीवन का खाका है, जो हमारी कोशिकाओं को बताता है क्या उत्पन्न करना। लेकिन डीएनए में उन कोशिकाओं को बताने वाले स्विच भी होते हैं कब किसी चीज़ का उत्पादन करना है और उसका कितना उत्पादन करना है। इसलिए, जब रासायनिक उत्पादन के लिए दवाओं या कच्चे माल जैसे उपयोगी रसायनों का उत्पादन करने के लिए कोशिकाओं में नए जीन पेश किए जाते हैं, तो एक आनुवंशिक स्विच, डीएनए का एक टुकड़ा जिसे “प्रमोटर” कहा जाता है, को शामिल करना भी आवश्यक है, जो कोशिकाओं को उत्पादन शुरू करने के लिए कहता है। आवश्यकता है। कोबे विश्वविद्यालय के बायोइंजीनियर टोमिनागा मासाहिरो कहते हैं: “समस्या यह है कि इन प्रमोटरों का उपयोग प्लग-एंड-प्ले तरीके से नहीं किया जा सकता है जब तक कि शोधकर्ता गहराई से नहीं समझते कि वे अन्य आनुवंशिक तत्वों के साथ कैसे बातचीत करते हैं। वास्तव में, ऐसे बहुत से मामले नहीं हैं जिनमें शोधकर्ता कृत्रिम का उपयोग करते हैं प्रमोटर सेलुलर उत्पादन को सटीक रूप से नियंत्रित करते हैं और अपने अनुसंधान उद्देश्य को प्राप्त करते हैं।” कभी-कभी उत्पादन बहुत कम होता है, कभी-कभी यह “लीकी” होता है, जिसका अर्थ है कि इसे इच्छानुसार बंद नहीं किया जा सकता है। यह बायोइंजीनियरिंग यीस्ट के लिए विशेष रूप से सच है, जो बैक्टीरिया की तुलना में अपने आनुवंशिक विनियमन में अधिक जटिल है। लेकिन यह बढ़ी हुई जटिलता इसके उपयोग को कई उपयोगी रसायनों का उत्पादन करने में भी सक्षम बनाती है।
यीस्ट कोशिकाओं को संशोधित करने में विशेषज्ञ के रूप में, टॉमिनागा और आईएसएचआईआई जून के नेतृत्व वाली टीम के सहयोगियों ने प्रभावी प्रमोटरों को डिजाइन करने के तरीके पर काम करने के लिए एक व्यवस्थित दृष्टिकोण अपनाया। “हम इस विचार के साथ आए कि एक प्रोटोटाइप प्रमोटर को बेहतर बनाने की हमारी प्रक्रिया का सावधानीपूर्वक वर्णन करके, हम उच्च-प्रदर्शन और सटीक नियंत्रण प्राप्त करने के लिए एक ‘उपयोगकर्ता मैनुअल’ तैयार कर सकते हैं ताकि इन आनुवंशिक प्रणालियों का अधिक व्यापक रूप से उपयोग किया जा सके,” टोमिनागा समझाता है.
जर्नल में अब प्रकाशित एक पेपर में प्रकृति संचारवे यीस्ट प्रमोटरों के लिए तीन डिज़ाइन सिद्धांतों का वर्णन करते हैं। सबसे पहले, यदि शोधकर्ताओं को न केवल बड़ी मात्रा में उत्पाद की आवश्यकता है, बल्कि इच्छानुसार उत्पादन को चालू या बंद करने की क्षमता भी है, तो उन्हें प्रमोटर के भीतर इसे सक्षम करने वाले नियामक तत्वों की कई प्रतियां पेश करनी चाहिए। इससे रिसाव कम होता है और उत्पादकता बढ़ती है। दूसरा, उत्पादकता को और भी अधिक बढ़ाने के लिए प्रवर्तक तत्वों के बीच की दूरी यथासंभव छोटी होनी चाहिए। और तीसरा, रिसाव को और कम करने के लिए प्रमोटर को अतिरिक्त डीएनए शामिल करके आसपास के डीएनए से अलग किया जाना चाहिए। टोमिनागा कहते हैं: “हमने दिखाया कि एक प्रमोटर के प्रदर्शन को उसके आस-पास के अनुक्रम को संशोधित करके 100 गुना से अधिक सुधार किया जा सकता है। यह इस समस्या का समाधान स्पष्ट रूप से प्रस्तावित करने वाला पहला अध्ययन है कि क्यों शक्तिशाली यीस्ट प्रमोटर कुछ वातावरणों में काम करते हैं और अन्य में नहीं ।”
कोबे विश्वविद्यालय के बायोइंजीनियरों ने दो औषधीय रूप से उपयोगी प्रोटीन, तथाकथित “बायोलॉजिक्स” के उत्पादन का प्रदर्शन करके अपने सिस्टम की उपयोगिता का प्रदर्शन किया। वे न केवल इन दो बायोलॉजिक्स का उत्पादन अलग-अलग यीस्ट स्ट्रेन में कर सकते थे, बल्कि एक ही स्ट्रेन में भी कर सकते थे और स्वतंत्र रूप से नियंत्रित करने की क्षमता के साथ कि किसी भी समय कौन सा बायोलॉजिक उत्पादित होता है। उत्तरार्द्ध महत्वपूर्ण है क्योंकि अस्पतालों में इसके संभावित अनुप्रयोग हैं, जैसा कि टीम ने अध्ययन में बताया है: “एकल बायोलॉजिक्स के पारंपरिक किण्वन के अलावा, एक बिंदु पर एकल खमीर तनाव के साथ कई बायोलॉजिक्स का तेजी से और एकल-खुराक उत्पादन आपातकालीन स्थितियों के लिए देखभाल महत्वपूर्ण है जिसमें शुद्धता और उत्पादकता के बजाय उत्पादन की गति और लचीलेपन की आवश्यकता होती है।” उन्होंने कोरोनोवायरस प्रोटीन का बेहद कठिन उत्पादन भी हासिल किया, जिसका उपयोग उपचार के उत्पादन के लिए किया जा सकता है, जो उनके डिजाइन सिद्धांतों की उपयोगिता और लचीलेपन दोनों को प्रदर्शित करता है।
टोमिनागा इस अध्ययन के निहितार्थों पर अपने व्यापक दृष्टिकोण की व्याख्या करते हैं: “सिंथेटिक जीव विज्ञान जीनोम अनुक्रमों को फिर से लिखकर नए जैविक कार्यों के निर्माण की वकालत करता है। हालांकि वास्तविकता यह है कि हम अक्सर अपने संपादनों के परिणामस्वरूप अप्रत्याशित परिवर्तनों से भ्रमित होते हैं। हमें उम्मीद है कि हमारा अध्ययन पहला है स्पष्ट इरादों के साथ जीनोम में हर एक आधार को डिजाइन करने की क्षमता की ओर कदम।”
इस शोध को जापान एजेंसी फॉर मेडिकल रिसर्च एंड डेवलपमेंट (अनुदान JP21ae0121002, JP21ae0121005, JP21ae0121006, JP21ae0121007, JP20ae0101055 और JP20ae0101060), जापान विज्ञान और प्रौद्योगिकी एजेंसी (अनुदान JPMJCR21N2 और JPMJGX23B4) द्वारा वित्त पोषित किया गया था। और जापान सोसायटी फॉर द प्रमोशन ऑफ साइंस (अनुदान JP23K26469, JP23H01776 और JP18K14374)। यह फार्मा फूड्स इंटरनेशनल कंपनी लिमिटेड और नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ हेल्थ साइंसेज के शोधकर्ताओं के सहयोग से आयोजित किया गया था।
