घातक जीवाणूंच्या चयापचय प्रतिबंधक शर्करांची निर्मिती करून त्यांचा प्रसार रोखण्याचा प्रयत्न

^{छायाचित्र: वोलोदिमीर रीशेंको}

सन १९२८ मध्ये पेनिसिलिनचा शोध लागला, तेव्हापासून जीवाणूंमुळे होणारे संसर्गजन्य आजार बरे करण्यासाठी  प्रतिजैविकांचा वापर केला जात आहे. तथापि, प्रतिजैविकांच्या सर्रास वापरामुळे काही घातक जीवाणूंनी स्वतःमध्ये जैविक बदल घडवून आणले आणि त्यांच्यावर प्रतिजैविकांचा परिणाम होईनासा झाला. प्रतिजैविक-प्रतिकारक्षम जीवाणूंच्या वाढत्या संख्येशी लढण्यासाठी अभिनव धोरण आखणे आवश्यक झाले आहे. नुकत्याच झालेल्या अभ्यासामध्ये भारतीय तंत्रद्यान संस्था मुंबई, (आयआयटी बॉम्बे) आणि अमेरिकेच्या मॅने येथील बोडन कॉलेजच्या संशोधकांनी शोधलेल्या एका नवीन पद्धतीनुसार रोगास कारणीभूत जीवाणूंची वाढ रोखण्यासाठी रासायनिक प्रक्रियेद्वारे सुधारित शर्करांची निर्मिती केली गेली. त्यायोगे घातक जिवाणूंच्या  चयापचय प्रक्रियेत प्रतिबंध निर्माण होऊन त्यांचा संसर्ग टाळता येऊ शकेल अशी आशा वाटते.

हा अभ्यास “केमिकल सायन्स” या नियतकालिकात फेब्रुवारी २०२० मध्ये प्रकाशित झाला आहे. याला यूएसएच्या राष्ट्रीय आरोग्य संस्था (National Institutes of Health), जेम्स स्टॅसी कोल्स फेलोशिप (James Stacy Coles Fellowship) आणि भारत सरकारच्या विज्ञान आणि अभियांत्रिकी संशोधन मंडळ (Science and Engineering Research Board), विद्यापीठ अनुदान आयोग (यूजीसी) (University Grants Commission) आणि  जैव तंत्रज्ञान विभागाने (Department of Biotechnology)  वित्तसहाय्य दिले आहे.

जीवाणूपेशींच्या बाह्यआवरणाची जाळीदार रचना शर्करा (मोनोसॅकराईड्स) आणि प्रथिनांपासून बनलेली असते. पेशीचे बाह्यआवरण तयार करण्यासाठी मानव शरीरात वस्तीला असणारे विविध प्रकारचे जीवाणू असाधारण शर्करांचा उपयोग करतात, काही वेळा या शर्करा मानवी पेशींमध्ये अभावाने आढळणाऱ्या असतात. ही बाह्य आवरणे जीवाणूंचे यजमान-पेशीच्या रोगप्रतिकारशक्तीपासून संरक्षण तर करतातच, परंतु काही वेळा त्यांना यजमान-पेशीस संक्रमित करण्यास मदतही करतात. मुळात, बऱ्याचशा प्रतिजैविकांचा प्रमुख उद्देश संसर्गजन्य जीवाणूंच्या संरक्षक भिंती बनवण्याच्या क्षमतेवर हल्ला करणे हाच असतो. तथापि, दुर्दैवाने या प्रतिजैविकांचा संसर्गजन्य आणि फायदेशीर अशा दोन्ही प्रकारच्या जीवाणूंवर परिणाम होऊ शकतो.

“जीवाणू पेशींच्या पृष्ठभागावरील आवरण तयार करणाऱ्या कर्बोदकांचा अभ्यास संशोधनाच्या दृष्टीने अत्यंत उत्कंठावर्धक आहे, कारण त्याची रचना अत्यंत वैशिष्ट्यपूर्ण असते आणि रोगाच्या प्रादुर्भावाशी त्याचा जवळचा संबंध असतो. अशा संसर्गजन्य जीवाणूंचा प्रतिकार करण्यासाठी नवीन प्रतीजैविकांची तातडीने गरज आहे” असे बोडेन कॉलेजचे प्रा. डॅनियल दुबे म्हणतात.

पृष्ठभागावरील ही कर्बोदके संसर्गजन्य जीवाणूंना त्यांच्या यजमान-पेशींशी जोडण्यासही मदत करू शकतात असे स्ट्रेप्टोकोकस पॅरासॅंग्वीनिस (Streptococcus parasanguinis) आणि निसेरिया मेनिंजायटिडिस (Neisseria meningitidis) या जीवाणूंच्या बाबतीत आढळून आले आहे.

प्रस्तुत अभ्यासात, संशोधकांनी रोगकारक जीवाणूंचा संसर्ग रोखण्यासाठी सुधारित शर्करा विकसित केल्या ज्यांच्यामुळे जीवाणूंच्या चयापचयास प्रतिबंध झाला. त्यासाठी त्यांनी, हेलीकोबॅक्टर पायलोरी (Helicobactor pylori) म्हणजे जठराचे अस्तर संक्रमित करणारे जीवाणू आणि गंभीर अतिसारास कारणीभूत असलेले कम्पायलोबॅक्टर जेजुनी (Compylobactor jejuni) या जीवाणूंद्वारे  वापरल्या जाणाऱ्या तीन दुर्मिळ शर्करांचा अभ्यास केला. त्यांनी या दुर्मिळ शर्करांच्या रासायनिक संरचनेत बेंझिल आणि फ्लूरो गटातील रसायने मिसळून बदल घडवून आणले.

प्रा. कुलकर्णी यांच्या प्रयोगशाळेत या दुर्मिळ शर्करा आधीच विकसित केल्या गेल्या होत्या. त्यामुळे कामाची सुरुवात आवाक्यात आली.” प्राध्यापक दुबे यांनी त्यांच्या शर्कारांच्या निवडीबद्दल सांगितले.

“आमच्यासाठी बेंझील शर्करेची निर्मिती प्रक्रिया सोपी होती कारण आम्ही विकसित केलेल्या तंत्राने ती सहज केली जाऊ शकते, पण, फ्लूरो शर्करेसाठी नवीन पद्धत शोधण्याचे आव्हान आमच्यासमोर होते.” असे आयआयटी मुंबईचे प्राध्यापक आणि प्रस्तुत कार्यातील एक अभ्यासक सुवर्ण कुलकर्णी म्हणाले. शर्करेच्या रेणू रचनेमध्ये हायड्रोजन आणि ऑक्सिजन अणू कार्बन अणूशी हायड्रॉक्सिल (-OH) गटाच्या रूपात जोडलेले असतात. फ्लूरो शर्करेच्या निर्मितीसाठी -OH गटाला काढून त्या जागी फ्लूरो गट जोडावा लागतो. तथापि, हा अणूबंध साधून आणणे सोपे काम नाही. संशोधकांनी मोनोसॅकराइडमधील प्रत्येक कार्बन अणूला जोडलेले -OH गट क्रमाक्रमाने बदलून त्याजागी फ्लुरो गट योग्य पद्धतीने बसवता येईल अशी रासायनिक अभिक्रिया विकसित केली.

“अशा प्रकारच्या क्लिष्ट रासायनिक अभिक्रीयांमध्ये वापराव्या लागणाऱ्या फ्लोरिनेटिंग एजंट्समुळे बरेचदा शर्करांच्या रेण्वीय संरचनेमध्ये अनावश्यक बदल घडून येतात आणि त्या अकार्यक्षम होतात. आम्ही विकसित केलेल्या पद्धतीमुळे प्रथमच दुर्मिळ फ्लोरिनयुक्त शर्करांच्या निर्मितीचे मार्ग स्पष्ट झाले आहेत.” असे प्रा. कुलकर्णी यांनी पुढे सांगितले.

जीवाणू, पोषकद्रव्ये म्हणून या सुधारित शर्करांचा वापर करतात. बेंझील शर्करांमुळे पेशींचे बाह्यावरण तयार होताना एकवारिक शर्करांच्या तुलनेने लहान साखळ्या तयार होतात. परिणामी, पातळ बाह्यावरण बनते आणि जीवाणूंचे सुरक्षाकवच दुबळे होते. दुसरीकडे, फ्लूरो-शर्करांमध्ये -OH गटाचा अभाव असतो. त्यामुळे पेशींच्या बाह्यावरणात उपस्थित असलेल्या इतर मोनोसॅकराईड बरोबर त्यांचा संयोग होऊ शकत नाही. शर्करांच्या अशा जोड साखळ्या तयार न झाल्यामुळे फ्लूरो शर्करा बाह्यावरण तयार करण्याच्या कामी न येता उलट जीवाणूंच्या पेशीच्या अंतर्भागात नुसत्याच जमा होतात.

सुधारित चयापचय प्रतिबंधक शर्करांमुळे होणाऱ्या अपेक्षित बदलांची कल्पना यावी म्हणून, संशोधकांनी  तीन नायट्रोजन अणूंचा त्यासारखाच असणारा एक अझाइड गट देखील, शर्करेच्या रेण्वीय संरचनेमध्ये जोडला. अझाइड गट फॉस्फिन नावाच्या दुसऱ्या गटाशी रासायनिक अभिक्रिया करू शकतो हे ज्ञात असल्यामुळे त्यांनी फॉस्फिन आणि पेप्टाइड (अमिनो आम्लाने बनलेली एक छोटी साखळी) समूह असलेला एक रासायनिक तपासणी प्रोब बनवला. हा प्रोब प्रतीद्रव्यांचा (अँटिबॉडीज) वापर करून शोधला जाऊ शकतो. जेव्हा हा तपासणी प्रोब जीवाणूंच्या समुहात सोडला जातो तेव्हा त्यातील फॉस्फिन समूह जीवाणूंच्या पेशीच्या बाह्यावरणातील अझाइड गटाशी अभिक्रिया करतो आणि पेप्टाइडला बाह्यावरणावर जोडून देतो. जीवाणूंच्या पेशीच्या बाह्यावरणातील सुधारित शर्करेमुळे होणाऱ्या परिणामांची कल्पना करण्यासाठी प्रतीद्रव्यांचा वापर करून जोडलेल्या पेप्टाइडमधील वाढ किंवा घट संशोधक मोजू शकतात.

“आमच्या या अभ्यासाचे एक बलस्थान म्हणजे अगदी थोड्या प्राथमिक माहितीच्या आधारे हे काम होऊ शकते,” असे प्रा. दुबे यांनी नमूद केले. “थोडक्यात, आपल्या अभ्यासाच्या दृष्टीने महत्वाचे जीवाणू जर बाह्यआवरण तयार करताना अशा दुर्मिळ शर्करांचा वापर करत असतील तर संशोधक या चाचणीचा वापर करून सुधारित शर्करांचा जीवाणूंच्या वाढीवर होणारा प्रभाव तपासू शकतात.” याच संदार्भातील मागील कामाद्वारे संशोधकांना माहित झालेले होते की जीवाणू अझाइड गट असलेल्या सुधारित शर्करा पेशींचे बाह्यावरण तयार करण्यासाठी वापरतात. या माहितीच्या आधारे प्रस्तुत अभ्यासामध्ये, अशा जीवाणूंचा शोध घेणे सोपे गेले.

हेलिकॉबॅक्टर पायलोरीची तपासणी केली असता संशोधकांना आढळले की बदललेल्या दुर्मिळ शर्करांमुळे बाह्यावरण तयार करण्यासाठी आवश्यक असलेले घटक कमी प्रमाणात बनवले गेले. त्यामुळे, कमी जीवाणू वाचले. त्यांची हालचाल तसेच वाढ देखील खुंटली. संसर्गजन्य जीवाणूंच्या गटाने यजमान शरीरात सुरक्षित वातावरण तयार करण्यासाठी स्त्रावाद्वारे बनवलेले पातळ पापुद्रे म्हणजेच बायोफिल्म्स देखील तयार होऊ शकले नाहीत.

विशेष म्हणजे, सुधारित शर्करांमुळे कॅम्पायलोबॅक्टर जेजुनीच्या अस्तित्व आणि हालचालीवर परिणाम झाला नाही. सामान्यत: आतड्यात आढळणार्‍या, रोगास कारणीभूत नसलेल्या जीवाणूंसाठीही हेच खरे ठरले. उदाहरणार्थ, बॅक्टेरॉईडीस फ्रजीलीस (Bacteroides fragilis) जीवाणू, ज्यावर या सुधारित शर्करांचा काहीही प्रतिकूल परिणाम झाला नाही. अशा प्रकारे, विविध जीवाणू आणि शर्करांच्या जोड्या वापरून, संशोधकांनी असा निष्कर्ष काढला की विशिष्ठ जीवाणू आणि त्यांनी वापरलेली वैशिष्ठ्यपूर्ण शर्करा हे दोन्ही घटक पेशींच्या बाह्यावरणाच्या संश्लेषणास यशस्वीपणे रोखण्याच्या पद्धती शोधण्यात दिशादर्शक ठरतात.

प्राध्यापक कुलकर्णी म्हणाले, “आमच्या संश्लेषण पद्धतींमार्फत विविध दुर्मिळ शर्करांच्या वैशिष्ट्यपूर्ण विश्वात प्रवेश मिळाला आहे. या अभ्यासाचा उपयोग रोगनिदान व उपचारांच्या भविष्यातील संशोधनासाठी केला जाऊ शकतो.”

या अभ्यासामुळे पेशींच्या बाह्य आवरणाचे संश्लेषण प्रभावित करणाऱ्या रेण्वीय यंत्रणा आणि दुर्मिळ शर्करांच्या रासायनिक संरचनेत होणारे बदल यांचा त्यांच्या कार्यावर कसा परिणाम होतो यावरील संशोधनाचे नवीन दालन खुले झाले आहे.

“या शर्करांचा वापर सध्या प्रचलित असलेल्या प्रतीजैविकांविरुद्ध संसर्गजन्य जीवाणूंची प्रतिकारशक्ती कमी करण्यासाठी आणि मानवाच्या रोगप्रतिकारक शक्तीविरुद्ध जीवाणूंना कमकुवत बनविण्यासाठी केला जाऊ शकतो. शेवटी, हा अभ्यास भविष्यात किती मोठी झेप घेतो हे पाहण्यास आम्हीही उत्सुक आहोत! ” असे प्रा. दुबे म्हणाले.