CRISPR - जनुकीय दुनियेतील वरदान

आज आपण crispr या जनुकीय तंत्रज्ञानाची माहिती करून घेणार आहोत. हे तंत्रज्ञान कुण्या शास्त्रांज्ञाने प्रयोगशाळेत नव्याने विकसित केलेले नाही, तर हे तंत्रज्ञान चक्क जिवाणू (बॅक्टेरिया) ने विषाणू              (व्हायरस) शी लढण्यासाठी विकसित केलेले आहे. 

आपणांस जशी विषाणू ची लागण होते तसेच जीवणूला सुद्धा ही लागण झाली होती, यावर त्या जीवाणूने त्याच्या DNA मध्ये विषाणू ची जनुक साठवली आणि त्याला मारक अशी रसायने शरीरात तयार झाली आणि त्या दोघांच्या लढाईत शेवट जीवाणू ने विषाणू वर विजय मिळवला. 

हे जिवाणू आपल्याही आधी हे तंत्रज्ञान विकसित करून त्यांचे आयुष्य मजेत घालवत होते. मग हे आपल्याला कधी कळाले तर, 1987 साली ecoli या जीवाणूच्या DNA मध्ये जपानी शास्त्रज्ञांना काही वेगळ्या प्रकारची जनुकीय रचना दिसून आली. या रचनेस Palindromic असे म्हणतात. या रचनेत ठराविक बेस हे पुढे - मागे सारख्या क्रमाने होते. नंतर 36 बेस असतात ज्यांना spacers म्हणले जाते आणि परत हा palindromic बेस चा क्रम असतो. या जपानी शास्त्रांज्ञाना ही रचना नीटशी समजू शकली नाही. या नंतर काही वर्षांनी 1990 मध्ये फ्रान्सिस्को मोजीका या शास्त्रज्ञाला archea च्या dna मध्ये अशीच palindromic रचना दिसून आली. अभ्यासाअंती त्याने याला CRISPR  (clustered regularly interspaced short palindromic repeats)  नाव दिले. हे क्रम माहित असलेल्या DNA क्रमाशी जुळवले असता ते विषाणूचे असल्याचे आढळले.

 

त्यावरून हा निष्कर्ष काढला गेला की जीवाणूंनी विषाणूंचा dna क्रम प्रतिकारशक्ती साठी शरीरात साठवून ठेवला होता. नंतर 2006 रोजी आणखीन उलगडा झाला. दही तयार करण्याच्या कंपनी मध्ये जे culture तयार करण्यात येई ते नेहमी विषाणूंच्या बाधेने खराब होत असे. फिलिप होरवा याने याचा अभ्यास केला , त्याला असे दिसून आले की ज्या जिवाणूंमध्ये CRISPR ची जनुके आहेत त्यावर विषाणूंचा हल्ला होत नाही तर उलटपक्षी ज्यात ही रचना नाही ते मात्र विषाणूंच्या हल्ल्यास बळी पडत आहेत. आणखी काही प्रयोग केल्यावर त्याला हा palindromic क्रम हे गमक उलगडले. यामध्ये विषाणूंचा dna कापला जावा यासाठी जबाबदारी घेणारे CAS9 या प्रथिनांना बांधले जाणारे बेस होते. बरोबर 1 वर्षाने जॉन व्हॅन डर उस्ट याने जिवाणूंचे विषाणू पासून रक्षण होऊ शकेल अशा कृत्रिम जनुकांचा क्रम तयार केला. 2012 मध्ये इमानुअल या महिला शास्त्रज्ञास dna कापला जातो त्या transRNA चा शोध लागला. अशा प्रकारे CRISPR या तंत्रज्ञानाचे आवश्यक असलेले सर्व घटक मानवाच्या हाती सापडले. 2013 मध्ये CRISPR हा नव्याने उदयास आलेला तारा अनुवांशिक शास्त्राच्या आकाशात चमकू लागला.

विरजिनिजुअस याने त्यात कमाल केली. त्याने हे तंत्रज्ञान in vivo ते in vitro आणले. इकडे तोवर इमानुअल आणि इतर सहकारी शास्त्रज्ञानी guide RNA तयार केला आणि CRISPR साठी हे वरदान ठरले. आता एव्हाना सगळे शास्त्रज्ञ in vivo च्या तंत्राचा अभ्यास करण्यात व्यस्त होते. फेन चँग हा हे CRISPR तंत्रज्ञान सस्तन प्राण्यात विकसित करण्यास यशस्वी झाला होता.

काय आहे हे CRISPR? Palindromic क्रम म्हणजे नेमकं काय?

हे सगळे प्रकरण समजून घेण्यासाठी आपण प्रथमतः शरीरात असणाऱ्या जनुकिय घटकांची प्राथमिक माहिती करून घेऊ. मानवी शरीरात क्रोमोसोमच्या २३ जोड्या असतात.निरनिराळ्या सजीवांमध्ये क्रोमोसोमची संख्या भिन्न असते. डीऑक्सिरायबोस नुक्लिक ऍसिड आणि रायबोस नुक्लिक ऍसिड. यामध्ये प्रत्येक सजीवाची काही विशिष्ट माहिती साठवलेली असते. या माहितीच्या आधारे  शरीरात दैनंदिन हालचाली घडून येत असतात. प्रत्येक जनुकामध्ये (gene) वेगवेगळ्या स्वरूपाची माहिती साठवलेली असते. हे च genes पुढील पिढीकडे हस्तांतरित होत असतात आणि त्याप्रमाणे प्रत्येकाची जडणघडण ही त्या जनुकाशी निगडित असलेल्या गुणधर्मासारखी होते. 

पेशींच्या केंद्रकामध्ये क्रोमोसोम असतात . या क्रोमोसोम मध्ये genes असतात. DNA मध्ये हे genes समाविष्ट असतात. हे genes शरीरात प्रथिने तयार करतात. DNA ची रचना ही एखाद्या गोलाकार जिन्याप्रमाणे म्हणजेच लांब, गुंडाळलेली, दुहेरी मळसूत्रासारखी असते. DNA मध्ये रायबोस ( पाच कार्बन असलेली शर्करा) , फॉस्फेट आणि नायट्रोजन युक्त बेस असतात. 

रायबोस शर्करेच्या पाचव्या कार्बन अणूला फॉस्फेट ग्रुप जोडला जातो.  डीएनए साखळी तयार होताना फॉस्फेट  ग्रुप एका डीऑक्सिरायबोजचा पाचवा कार्बन अणू आणि दुसऱ्या डीऑक्सिरायबोजचा तिसरा कार्बन अणू यांच्यात बंध तयार होतो. डीऑक्सिरायबोजच्या दुसऱ्या कार्बन अणूला नत्रयुक्त घटक जोडलेले असतात. हे नत्रयुक्त घटक ४ प्रकारचे असतात. त्यातील अ‍ॅडेनीन आणि ग्वानीन हे प्युरीन या वर्गातील असतात. तर  पिरिमिडीन या वर्गातील थायमिन आणि सायटोसिन हे घटक असतात. पिरिमिडीन एक रिंगचा बनलेला असतो तर प्युरीन दोन रिंगचा असतो. जेव्हा दोन नत्रयुक्त घटक एकमेकांशी बंध तयार करतात तेव्हा तो बंध एक प्युरीन आणि एक पिरिमिडीन यांच्यामध्ये बनतो. त्यामुळे डीएनएच्या दोन्ही साखळीतील अंतर सारखे राखले जाते. अ‍ॅडेनीन या प्युरीन चा बंध फक्त थायमिन या पिरिमिडीनशी होतो तर ग्वानीन या प्युरीन चा बंध सायटोसीन या पिरिमिडिन बरोबर होतो.      

शरीरासाठी आवश्यक असलेली प्रथिने काही आहाराद्वारे घेतली जातात तर काही विकरांच्या (enzymes) मदतीने शरीरात तयार केली  जातात. प्रथिने ही अमिनो ऍसिड पासून तयार होतात. डीएनए मध्ये अ‍ॅडेनीन, ग्वानिन, थायमिन आणि सायटोसीन हे नायट्रोजन युक्त बेस तीन-तीन च्या संख्येत एकत्र येतात. त्यांचा विशिष्ट प्रकारच्या अमिनो ऍसिड शी बंध तयार होतो आणि त्यातून प्रथिनांची निर्मिती होते. कोणते प्रथिन तयार करायचे यावर डीएनए पासून 4 पैकी 3 बेसचा संयोग होतो. या तीन एकत्रित आलेल्या बेस ना codon म्हणतात.

RNA ची रचना DNA प्रमाणेच लांब, गोलाकार जिन्याप्रमाणे परंतु एकेरी मळसूत्रासारखी असते. आरएनए मध्ये थायमिन ऐवजी युरॅसिल हा बेस असतो. डीएनए कडून आराएनए कडे माहिती संक्रमित होत असताना (transcription) डीएनए चा दुहेरी बंध उलगडतो आणि आरएनए च्या पूरक धाग्याशी जुळतो. या आरएनए च्या पूरक धाग्यास mRNA म्हणजे मेसेंजर आरएनए असे म्हणतात. तो डीएनए कडे असलेली माहिती पेशींच्या केंद्रकाच्या बाहेर  नेतो म्हणून तो messanger RNA (mRNA). mRNA ही DNA कडून आणलेली माहिती रायबोसोम कडे नेतो तेथे प्रथिने तयार करण्याची प्रक्रिया घडते. यानंतर translation ही क्रिया होते. यामध्ये mRNA कोणते अमिनो आम्ल एकत्र आणावेत आणि त्याचा क्रम कसा असावा याची माहिती रायबोसोमला देतात. tRNA म्हणजेच transfer RNA हे आवश्यक ती अमिनो आम्ल एकत्रित आणतात आणि यातून प्रथिनांची निर्मिती होते. प्रथिने शरीराच्या योग्य वाढीसाठी, पोषणासाठी, पेशींच्या दुरुस्ती साठी, एकंदर रोगप्रतिकारक शक्ती वाढवण्यासाठी आवश्यक असतात.

वर दिलेल्या RNA शिवाय CRISPR साठी वापरण्यात येणारा RNA आहे gRNA, म्हणजेच guide RNA, DNA मध्ये असलेल्या जा विशिष्ट जनुकांमध्ये बदल घडवून आणायचा आहे अथवा ज्या जनुकांमुळे शरीरात हानिकारक असे बदल झाले आहेत त्या जनुकीय क्रमाचा gRNA तयार केला जातो. हा gRNA आणि CAS9 नावाचे विकर त्या target DNA बरोबर बांधले जातात. 

gRNA मध्ये साधारण 20 बेस असतात.त्याच्यासारखा क्रम असलेल्या DNA च्या दुहेरी बंधामधील बंध उलगडले जातात. जिथे हा gRNA DNA शी बंध निर्माण करतो तिथे CAS9 हे विकर DNA कापते. आता या कापलेल्या DNA मुळे पेशींकडे संदेश पोहोचतो आणि पेशी या DNA मध्ये बदल (mutations) घडवून आणतात. अशा प्रकारे CRISPR चे काम पूर्ण होते.

अलीकडे विकसित झालेल्या जनुकिय बदल घडवून आणण्याच्या तंत्रज्ञानात CRISPR हे तंत्रज्ञान सगळ्यात सोपे आणि कमी खर्चिक आहे. 

यामध्ये palindromic क्रमात nucleotides ची रचना असते म्हणजे एखाद्या उलटसुलट कसाही वाचला तरी सारखाच राहतो असा शब्द असावा त्याप्रमाणे dna मध्ये nucleotides एकमेकांना पूरक रचनेंत बांधलेले असतात. उ.दा.  डीएनए क्रम GAATTCआणि त्याचा पूरक म्हणजे  CTTAAG  किंवा ACCTAGGT आणि त्याचा पूरक म्हणजे TGGATCCA.

आता या CRISPR चा फायदा नेमका कशात होऊ शकतो ते पाहूया. 

1. Breeding केलेल्या पाळीव प्राण्यांच्या जातींमध्ये काही जनुकिय बदल घडून येतात आणि त्यापासून त्यांना काही विशिष्ट रोग होण्याची शक्यता असते. CRISPR द्वारे त्यांच्यात होणाऱ्या जनुकीय बदलांवर नियंत्रण ठेवता येणे शक्य होते. 

2. काही अन्नपदार्थ हे काहीजणांना पचायला जड जातात अथवा त्याची अलर्जी असते. हे तंत्रज्ञान वापरून ज्या जनुकांमुळे allergy होते ते काढता येऊ शकतात. 

3. आपल्यातले कितीतरी चहाबाज किंवा कॉफी आवडणारे निव्वळ कॅफिन मुळे चहा कॉफीस दूर ठेवत असतील तर त्यांच्यासाठी हे तंत्रज्ञान फारच सोयीचे आहे, कारण चहा किंवा कॉफी च्या मूळ चवीस न बदलता हे तंत्रज्ञान  त्यातील कॅफिन मात्र दूर करू शकतं.

४. अल्गी पुरेश्या प्रमाणात संतृप्त द्रावणे नसतात( फॅट्स) यामुळे सध्या त्यापासून इंधन तयार करणे हे खर्चाचे जाते. या तंत्रज्ञानाचा वापर करून हे फॅट वाढवता येऊ शकते त्यामुळे biofuel (जैविक इंधन) ची निर्मिती सुकर होऊ शकते.

5. आपल्याला टोमॅटो म्हणल्यावर लालबुंद,आंबटगोड फळभाजी समोर येते , पण कधी विचार केला आहे का की तिखटपणा असलेले टोमॅटो पिकवता आले तर त्यापासून कोणते पदार्थ बनवता येतील,नाही ना?

या तंत्रज्ञानामुळे कॅपसिसीन युक्त तिखट टोमॅटो आपल्याला मिळू शकतात.

6. साथीचे रोग पसारवणाऱ्या जीवजंतूंमध्ये जर हे तंत्रज्ञान वापरून बदल घडवून आणले तर त्यांच्या येणाऱ्या काही पिढ्यांमध्ये रोग प्रादुर्भावास कारणीभूत ठरणारा जनुक नाहीसा करता येतो.

7. प्राणिज अन्नपदार्थांत पौष्टिक असणाऱ्या जनुकांची संख्या वाढवून त्यास अधिक सकस करता येणे या तंत्रज्ञानामुळे शक्य आहे.

8. नामशेष झालेल्या प्राण्यांच्या जाती आपण फक्त चित्रात किंवा animated सिनेमात बघतो, पृथ्वीवर जिवंत असणाऱ्या त्यांच्या पुढील पिढ्यांमध्ये नामशेष झालेल्या प्राण्यांचे जनुक सोडून पुन्हा नामशेष झालेले प्राणी निर्माण करण्यास शास्त्रज्ञ झटत आहेत. 

9. कर्करोगासारख्या आणि इतर जीवघेण्या आजारास नष्ट करणे या तंत्रज्ञानाच्या विकासामुळे शक्य आहे शिवाय खर्चिकही नाही.

10. जनुकांमध्ये बदल करण्याची क्षमता असल्यामुळे हे तंत्रज्ञान रोगांवर उपचार करण्यासाठीच नाही तर त्याचा समूळ नाश करण्यासाठी सुद्धा वापरता येऊ शकते. 

CRISPR वापरून बीज पेशींमधील DNA त बदल हे एका पिढीकडून दुसऱ्या पिढीकडे हस्तांतरित होतात. बीजपेशी सोडून इतर पेशींच्या DNA मध्ये केलेले बदल हे त्या पिढीपुरते मर्यादित राहतात. यामुळे बीजपेशीच्या DNA मध्ये बदल करणे हे तसे नैतिक ठरत नाही. यामुळे काही देशांमध्ये यावर निर्बन्ध घालण्यात आले आहेत. 

तुम्ही कराल ती कल्पना साकार करण्याचे सामर्थ्य या CRISPR मध्ये आहे. पण असे तंत्रज्ञान वापरत असताना मनुष्याचा विवेक आणि मर्यादा सांभाळणे देखील महत्वाचे आहे. 

-✍️ राखी कुलकर्णी