सायनोबॅक्टेरिया हे एकपेशीय जीव सूर्यप्रकाशाचा उपयोग करून स्वतःचे अन्न स्वतः तयार करू शकतात. प्रकाश संश्लेषण करण्याच्या त्यांच्या क्षमतेमुळे जैव तंत्रज्ञान क्षेत्रात त्यांचा वापर अनेक इच्छित रसायने आणि प्रथिनांचे उत्पादन वाढवण्यासाठी केला जातो. कुठच्याही जीवामध्ये प्रथिने तयार करण्याची एक सुसूत्र प्रणाली असते. ह्या कार्यप्रणालीचे नियमन करणे हे त्या जीवाच्या गुणसूत्रातील डीएनएचे काम असते. त्या डीएनएमधील काही विशिष्ठ भाग म्हणजेच ‘प्रवर्तक’ (Promoter) ज्यांच्याद्वारे पेशींतर्गत प्रथिनांची निर्मिती करण्याचे निर्देश दिले जातात. सायनोबॅक्टेरियासह इतर तत्सम जीवांमधील ह्याच प्रवर्तकांचा वापर करून आवश्यक त्या प्रथिनांच्या उत्पादनाला चालना देण्याचा प्रयत्न वैज्ञानिकांनी केला.
त्या प्रक्रियेसाठी सामान्यत: वापरले जाणारे प्रवर्तक सक्रिय करण्यासाठी प्रेरक रसायनांची (inducers) आवश्यकता असते. तथापि अशी प्रेरके खूप महाग असतात त्यामुळे सायनोबॅक्टेरियामधील प्रथिनांचे मोठ्या प्रमाणावर व्यावसायिक उत्पादन घेणे अव्यवहार्य ठरते. शिवाय, प्रकाशाच्या सानिध्यात ही प्रेरके निष्क्रिय होतात व पर्यायाने प्रवर्तकांना निष्प्रभ करतात. अशातच, भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई (आयआयटी बॉम्बे) च्या संशोधकांनी असे प्रवर्तक विकसित केले आहेत जे प्रथिनांच्या उत्पादनास उत्तेजना तर देऊ शकतातच, पण प्रकाशातही कार्यक्षम राहतात आणि सायनोबॅक्टेरियाच्या वेगवेगळ्या प्रजातींमध्येदेखील वापरता येऊ शकतात. एसीएस सिंथेटिक बायोलॉजी या नियतकालिकात (ACS Synthetic Biology) प्रकाशित झालेल्या या अभ्यासाला भारत सरकारच्या जैवतंत्रज्ञान विभागाने (Department of Biotechnology) वित्तसहाय्य दिले होते.
अभिनव प्रवर्तकांच्या निर्मिती कार्यास शून्यापासून सुरुवात करण्याऐवजी संशोधकांनी, सायनोबॅक्टेरिया मध्ये आधीपासूनच कार्यरत असलेले आणि ज्यांच्यामुळे प्रथिनांचे मोठ्या प्रमाणावर उत्पादन होते असे पीआरबीसीएल (PrbcL) आणि पीसीपीसीबी (PcpcB) हे दोन प्रवर्तक विकसित करण्यास प्राधान्य दिले. त्यांनी ह्या दोन प्रवर्तकांच्या न्यूक्लीओटाईड संरचनेमध्ये उत्परिवर्तन (म्युटेशन) केले आणि ३६ प्रकारचे PrbcL आणि १२ प्रकारचे PcpcB सुधारित प्रवर्तक मिळवले. ह्या सर्व प्रवर्तकांचा एक संग्रह प्रस्थापित केला. त्यानंतर, त्यांनी या प्रवर्तकांची जोडणी सायनेकोकॉकस ईलोंगॅटस (Synechococcus elongatus), ह्या अतिशय वेगाने वाढणाऱ्या सायनोबॅक्टीरियमच्या डीएनएमध्ये केली. एनहानस्ड यलो प्रोटीन (eYFP) ह्या प्रथिनाच्या प्रमाणातील वाढ किवा घट मोजणे सहज शक्य असते त्यामुळे प्रयोगादरम्यान सुधारित प्रवर्तकांच्या वापरामुळे eYFP ह्या प्रथिनाच्या निर्मितीवरील प्रभावाची त्यांनी नोंद घेतली.
या अभ्यासाचे नेतृत्व करणारे प्रा. प्रमोद वांगीकर म्हणतात, “इच्छित वैशिष्टे व कार्यक्षमता असलेली प्रवर्तके मिळवणे हे आम्ही किती मोठ्या संख्येने उत्परिवर्तकांची छाननी करू शकतो यावर अवलंबून होते.” या आव्हानाला तोंड देण्यासाठी संशोधकांनी एक नवी पद्धत विकसित केली ज्यात अनेक म्यूटंट्सना एका मोठ्या कल्चर प्लेटमध्ये तरीही स्वतंत्रपणे वाढवता येऊ शकेल.
निवड केलेले दोन्ही प्रवर्तक आपल्या नैसर्गिक स्वरुपात असताना, पेशींतर्गत वातावरणात असलेल्या कार्बनच्या मोठ्या प्रमाणामुळे आणि तीव्र प्रकाशामुळे अकार्यक्षम होतात. म्हणून संशोधकांनी वेगवेगळ्या कार्बन सांद्रता आणि प्रकाशाच्या तीव्रतेखाली म्युटंट प्रवर्तक असलेल्या बॅक्टेरियाच्या क्रियेतील बदलांचा अभ्यास केला. कार्बन डाय ऑक्साईडच्या उन्नत सांद्रतेसहदेखील PrbcL च्या एकूण म्युटंट प्रवर्तकांपैकी आठ सोडून बाकी जवळजवळ सर्वांमुळे प्रथिने नेहमीपेक्षा सहा ते आठ पट जास्त उत्पादित झाली. एवढेच नाही तर त्याचप्रमाणे म्युटेशन झालेल्या PcpcB च्या सर्वच्या सर्व १२ प्रवर्तकांनीही प्रकाशाच्या जास्त तीव्रतेतही वाढीव कार्यक्षमता दर्शविली.
कार्यक्षमतेमध्ये घडून येऊ शकणारे बदल तपासण्यासाठी संशोधकांनी सायनेकोकॉकसच्या वेगळ्या प्रजातीमधेही संग्रहाची चाचणी केली. PrbcL संग्रहामधील बहुतेक प्रवर्तकांचे कार्य दोन्ही प्रजातींमध्ये एकमेकांशी तुलनात्मकदृष्ट्या समान असलेले दिसले. तथापि PcpcB च्या संग्रहामधील प्रवर्तकांच्या कार्यक्षमतेमध्ये जरा बदल दिसले. प्रकाशाच्या तीव्रतेखाली म्युटेटेड प्रवर्तकच्या क्रियेत वाढ झाली असली तरी काही निष्क्रीय झालेलेही दिसले. पुढे, वैज्ञानिकांना सायनोबॅक्टेरियाच्या इतर प्रजातींमध्येही हे प्रवर्तक वापरले जाऊ शकतात की नाही याची तपासणी करण्याची गरज आहे.
ह्याच प्रवर्तकांना जेव्हा एशेरिचिया कोली (Escherichia coli) सारख्या एकदम भिन्न जीवाणूमध्ये समाविष्ट केले गेले तेव्हा eYFP ह्या प्रथिनाच्या उत्पादनात वाढ दिसून आली. या प्रयोगामधून प्रवर्तकांना इतर जीवांमध्ये देखील वापरले जाऊ शकते अशी संशोधकांची खात्री झाली.
शिवाय, संशोधकांनी असेही सिद्ध केले की म्युटेशन केलेल्या काही प्रवर्तकांनी, चालू बंद होऊ शकणाऱ्या खटक्यासारखे म्हणजे स्विच सारखे कार्य केले. अर्थातच, त्यांनी केवळ काही विशिष्ठ संकेतजनक परिस्थिती उद्भवल्यावरच प्रथिने तयार केली अन्यथा नाही. प्रोफेसर वांगीकर म्हणतात: “हे प्रवर्तक रसायनाऐवजी कार्बन डायऑक्साइड आणि प्रकाश यासारख्या पर्यावरणीय संकेतांच्या उपस्थितीत ‘ कार्यरत ’ होतात.” पेशीसाठी हानिकारक असलेल्या कोणत्याही प्रथिनाचे उत्पादन रोखण्यासाठी ही कार्यपद्धती वापरली जाऊ शकते.
"आम्ही विकसित केलेल्या प्रमोटर्सना कोणत्याही रसायनिक प्रेरकांची आवश्यकता नसते," असे अभ्यासामधील एक संशोधक डॉ. अनीशा सेनगुप्ता म्हणतात. “सामान्यतः उत्पादनासाठी सायनोबॅक्टेरियामध्ये वापरल्या जाणार्‍या प्रवर्तकांच्या विपरीत, आम्ही अशा प्रवर्तकांचा एक गट विकसित केला आहे ज्यांच्या कार्यक्षमतेमध्ये कार्बन डाय ऑक्साईड आणि प्रकाश यासारख्या पर्यावरणीय मापदंडांचा उपयोग करून वाढ करता येते. म्हणूनच, जेव्हा जेव्हा हे प्रवर्तक वापरले जातात तेव्हा त्या कार्यात कोणताही अतिरिक्त खर्च होत नाही.”
प्रारंभिक प्रयोग केवळ एकच प्रथिन, eYFP वापरुन केले गेले असल्याने संशोधक आता इतर प्रथिने तयार करण्याची त्यांची कार्यक्षमता तपासण्यासाठी ह्या प्रवर्तकांची चाचणी देखील घेत आहेत. ते मूळच्या इतर प्रवर्तकांवर आधारित संग्रहाच्या विस्तारावर देखील कार्यरत आहेत. प्राध्यापक वांगीकर म्हणतात, “त्याव्यतिरिक्त, आम्ही एका सायनोबॅक्टेरियामधील प्रवर्तक इतर सायनोबॅक्टेरियामध्ये काम करतील का आणि केले तर किती चांगल्या पद्धतीने करतील याची छाननी करीत आहोत.”
अभ्यासामध्ये विकसित झालेल्या प्रवर्तकांच्या वापराबद्दल डॉ. अनीशा म्हणतात, “जैविक इंधन आणि इतर महत्वाच्या रसायनांच्या निर्मितीसाठी सायनोबॅक्टेरियामध्ये वेगवेगळी प्रथिने निर्मित करण्याचा आम्ही प्रयत्न करीत आहोत. “आम्ही आमच्या आयआयटीच्या आवाराजवळील पवई तलावातील स्थानिक सायनोबॅक्टेरियाचे नमुने वापरत आहोत. तसेच हे सायनोबॅक्टेरिया येथील शास्त्रज्ञांचे सध्या लक्ष वेधून घेत आहेत, ”असे प्रा. वांगीकर यांनी सांगितले.