पौधे का रसायन टंकी में उतार लेना अब आम बात है। उसे पौधे से सस्ता बनाना आज भी नहीं

इंसुलिन एक जीन की कहानी है: क्रम सूक्ष्मजीव में डालिए, चालू कीजिए, और कोशिका प्रोटीन बना देती है। प्रकृति के ज़्यादातर दिलचस्प अणु ऐसे नहीं होते। आर्टेमिसिनिन, वैनिलिन, मेंथॉल, स्टीविया की पत्ती के मीठे यौगिक, ज़्यादातर रंगद्रव्य, ज़्यादातर सुगंध और दवाओं का बड़ा हिस्सा — ये सब द्वितीयक उपापचयज हैं, यानी छोटे अणु जिन्हें पौधा एंज़ाइमों की एक शृंखला से बनाता है; हर क़दम एक अलग जीन, और हर क़दम एक बीच के यौगिक को अगले में बदलता हुआ।

ऐसे अणु को किण्वक में बनाने के लिए आप एक जीन नहीं उतार सकते। आपको पूरी असेंबली लाइन ऐसे जीव में बिठानी पड़ती है जिसके पास वह कभी थी ही नहीं, उसे उस जीव की अपनी चयापचय से इस तरह जोड़ना पड़ता है कि कुछ टूटे नहीं, और फिर उसे इतना तेज़ चलवाना पड़ता है कि सारा काम फ़ायदे का हो। यही मेटाबॉलिक इंजीनियरिंग है — और "यह चल गया" तथा "यह खेती से सस्ता है" के बीच की खाई में ही इस क्षेत्र का ज़्यादातर इतिहास पड़ा है।

पूरा रास्ता बिठाना एक प्रोटीन बनाने से कठिन क्यों है

जैसे ही एक की जगह कई एंज़ाइम बिठाने पड़ते हैं, ऐसी समस्याएँ खड़ी हो जाती हैं जिनका आम प्रोटीन उत्पादन में कोई जोड़ नहीं।

बीच के यौगिक जमा होकर कोशिका को मार देते हैं। अगर तीसरा क़दम दूसरे से धीमा है, तो उनके बीच वाला यौगिक ढेर होने लगता है। इनमें से कई झिल्ली तोड़ने वाले या बहुत क्रियाशील होते हैं, इसलिए जो स्ट्रेन शुरुआती एंज़ाइम सबसे जोश से बनाती है, अक्सर वही सबसे पहले मरती है। काम हर क़दम को अधिकतम करना नहीं है — काम उन्हें ऐसा संतुलित करना है कि कहीं कुछ जमा न हो।

होड़ मेज़बान की अपनी चयापचय से है। आपका रास्ता उन्हीं बुनियादी ईंटों पर चलता है जो कोशिका को बढ़ने के लिए चाहिए। ज़्यादा ज़ोर डालिए तो कोशिका ठीक से बढ़ती नहीं, और प्रति-कोशिका दर बढ़ने के बावजूद कुल उपज गिर जाती है। असली बढ़त ज़्यादातर प्रवाह की दिशा बदलने से आती है — यानी उन शाखाओं को चुपचाप कमज़ोर करने से जो वही कच्चा माल खाती हैं — न कि अपने जीन की और प्रतियाँ डालने से।

सहकारक चुक जाते हैं। जैवसंश्लेषण के कई क़दम ऐसे वाहक खाते हैं जिन्हें कोशिका एक तय दर से ही दोबारा बनाती है। कोई रास्ता अपने किसी एंज़ाइम से नहीं, बल्कि कई प्रतिक्रियाएँ दूर बैठे किसी सहकारक की आपूर्ति से बँधा हो सकता है — और ऐसी अड़चन तर्क से नहीं, नापने से ही मिलती है।

पौधों के एंज़ाइम अक्सर काम करने से इनकार कर देते हैं। इन अणुओं को उनका चरित्र देने वाले ऑक्सीकरण के क़दम आम तौर पर साइटोक्रोम P450 एंज़ाइम करते हैं, जो झिल्ली में गड़े होते हैं, इलेक्ट्रॉन पहुँचाने के लिए एक साथी रिडक्टेज़ माँगते हैं, और सूक्ष्मजीव में अक्सर ठीक से बनते या मुड़ते ही नहीं। किसी पौधे के P450 को यीस्ट में चलवाना — बार-बार यही वह क़दम है जहाँ परियोजनाएँ अटक जाती हैं।

प्रकृति ने ये रास्ते दक्ष होने के लिए नहीं गढ़े। उसने इन्हें ऐसे पौधे में काम भर का बनाया जिसके पास हज़ारों घंटे थे और कोई प्रतिस्पर्धी नहीं। इन्हें टंकी में तेज़ चलाना प्रतिलेखन का काम नहीं — यह ऐसे रासायनिक संयंत्र को दोबारा संतुलित करना है जिसके रिएक्टर संयोग से एंज़ाइम हैं।

काम की स्ट्रेन मिलती कैसे है

जवाब कोई गणना से नहीं निकालता। यह क्षेत्र एक चक्र चलाता है, जिसे आम तौर पर डिज़ाइन–बिल्ड–टेस्ट–लर्न कहते हैं।

एक रूप डिज़ाइन कीजिए: यह एंज़ाइम उस प्रजाति से, यह प्रवर्तक इस ताक़त का, होड़ लेने वाला यह जीन दबा हुआ। उसे बनाइए — जीनोम एडिटिंग ने इसे इतना तेज़ कर दिया है कि हज़ारों रूप व्यावहारिक हैं। फिर परखिए — और यही वह क़दम है जो सब कुछ बाँधता है, क्योंकि किसी स्ट्रेन ने कितना अणु बनाया यह नापने के लिए आम तौर पर क्रोमैटोग्राफ़ी चाहिए, जो धीमी है। चतुर तोड़ है बायोसेंसर: कोशिका को ऐसा बना दीजिए कि लक्ष्य यौगिक बनते ही कोई प्रतिदीप्त प्रोटीन चालू हो जाए, और फिर फ़्लो साइटोमीटर में लाखों कोशिकाएँ चमक के हिसाब से छाँट लीजिए। नापने की समस्या छँटाई की समस्या बन जाती है।

फिर सीखिए, और चक्र दोबारा चलाइए। इसके साथ-साथ अनुकूली प्रयोगशाला विकास भी चलता है — स्ट्रेन को ऐसी परिस्थितियों में बढ़ाइए जहाँ ज़्यादा बनाना संयोग से उसके बचने में मदद करे, और चयन को वे सुधार ढूँढ़ने दीजिए जो किसी डिज़ाइनर के दिमाग़ में आते ही नहीं; फिर विजेताओं का क्रम पढ़कर देखिए कि बदला क्या। अब पिछले चक्रों पर सिखाए गए मॉडल अगले डिज़ाइन सुझाने लगे हैं, और जीवविज्ञान में मशीन लर्निंग के सचमुच उपयोगी इस्तेमालों में यह एक है: संभावनाओं का क्षेत्र विशाल है और प्रयोग महँगे — यानी ठीक वही हालत जहाँ एक ठीक-ठाक अनुमान क़ीमती होता है।

बड़े पैमाने की चट्टान

जो स्ट्रेन शेक फ़्लास्क में सब पर भारी पड़ती है, वह एक लाख लीटर के किण्वक में नाकाम हो सकती है — और वजह जीवविज्ञान नहीं, भौतिकी है।

बड़े पात्र को तुरंत नहीं मिलाया जा सकता। कोशिकाएँ ऐसे इलाक़ों से घूमती रहती हैं जहाँ ऑक्सीजन, शक्कर और pH अलग-अलग हैं, और उन्हें मिनटों लंबे झटके झेलने पड़ते हैं जो छोटे फ़्लास्क में कभी नहीं आते। स्थिर परिस्थितियों के लिए ढाली गई स्ट्रेन इन झटकों पर अपनी चयापचय बदल सकती है, उपोत्पाद बनाने लगती है, या बस कम बनाती है। ऑक्सीजन पहुँचाना ऑक्सीजन-आधारित प्रक्रियाओं की सीमा बन जाता है, और बड़े टैंक को हिलाते रहने की बिजली असली परिचालन ख़र्च है।

फिर बारी आती है निकालने की। अणु को ऐसे शोरबे से अलग करना है जिसमें कोशिकाएँ, बचा हुआ कच्चा माल और वह हर दूसरा यौगिक है जो जीव ने बनाया — और उसे उस दर्जे तक शुद्ध करना है जिस रूप में वह बिकेगा: भोजन, सुगंध या दवा। हर जैव-उत्पादन की तरह यहाँ भी लागत पर डाउनस्ट्रीम प्रसंस्करण हावी रहता है, और उपज में वह सुधार जो शुद्धिकरण के बाद न बचे, सुधार है ही नहीं।

मशहूर मिसालों ने असल में क्या सिखाया

आर्टेमिसिनिन आदर्श कहानी है, और सीखने लायक़ हिस्सा उसका अंत है। यह मलेरिया-रोधी दवा स्वीट वर्मवुड से आती है, और वनस्पति आपूर्ति कुख्यात रूप से अस्थिर है — अच्छी फ़सल दाम गिरा देती है, ख़राब फ़सल मलेरिया के मौसम में क़िल्लत कर देती है। एक लंबी, भरपूर पैसे वाली परियोजना ने यीस्ट से ऐसा रासायनिक पूर्ववर्ती बनवाया जिसे आर्टेमिसिनिन में बदला जा सके, और 2013 में व्यावसायिक उत्पादन शुरू हुआ। यह चला। फिर इसे समेट लिया गया, क्योंकि खेती से मिलने वाले आर्टेमिसिनिन के दाम गिर गए और किण्वन वाला रास्ता मुक़ाबले में टिक नहीं पाया। विज्ञान पूरी तरह सफल रहा और अर्थशास्त्र नहीं — और यह सबक़ किसी और सफलता की कहानी से ज़्यादा क़ीमती है: किण्वन प्रक्रिया को उस फ़सल को हराना पड़ता है जिसे किसान उगाते हैं, और जिसकी लागत आपकी लागत से तेज़ी से गिर सकती है।

वैनिलिन की कहानी उलटी है। दुनिया की वनीला ख़ुशबू का बहुत छोटा हिस्सा ही कभी वनीला की फलियों से आया है; ज़्यादातर पेट्रोरसायन से या लिग्निन से बनती है। अब इसका एक हिस्सा किण्वन से आता है, जो पौधे से मिले कच्चे माल को जैविक रूप से वैनिलिन में बदल देता है — और कुछ देशों के नियमों में यही रास्ता उस "प्राकृतिक सुगंध" के लेबल का हक़दार बनता है, जो रासायनिक रूप से बिल्कुल वैसा ही पेट्रोरसायन उत्पाद नहीं पा सकता। यहाँ जैव-तकनीक को खेती से दाम में नहीं जीतना था; उसे एक औद्योगिक प्रक्रिया से लेबल में जीतना था।

स्टीविया सबसे साफ़ तकनीकी जीत है। स्टीविया की पत्ती का सबसे मीठा और सबसे कम कड़वा यौगिक उसमें बहुत थोड़ी मात्रा में होता है, इसलिए उसे बड़े पैमाने पर निकालना अपने आप में बर्बादी है। उसी ख़ास यौगिक को किण्वन से बनाना पत्ती के सत से बेहतर स्वाद देता है — और यह उसी चीज़ का सस्ता स्रोत होने से कहीं मज़बूत स्थिति है।

नमूना हर बार वही है। किण्वन वहाँ जीतता है जहाँ पौधा वह अणु बहुत कम मात्रा में बनाता है, जहाँ आपूर्ति भरोसे लायक़ नहीं, या जहाँ किसी लेबल या शुद्धता के लिए क़ीमत चुकाई जा सकती है। वह वहाँ हारता है जहाँ फ़सल पहले से बड़े पैमाने पर कुशलता से उगाई जा रही है।

विद्यार्थियों और शोधकर्ताओं के लिए क्यों मायने रखता है

जैव-तकनीक का यह हिस्सा भारतीय कृषि पर सबसे सीधा असर डालता है — और दोनों दिशाओं में।

भारत के पास किण्वन की भारी क्षमता है, जो दशकों में एंटीबायोटिक, एंज़ाइम, अमीनो अम्ल और कार्बनिक अम्लों के लिए बनी। प्रिसिज़न फ़र्मेंटेशन को ठीक यही ढाँचा चाहिए, और यह असली औद्योगिक बढ़त है। भारत दुनिया के सबसे बड़े वनस्पति-कच्चा-माल उत्पादकों में भी है — सबसे बढ़कर पुदीना और मेंथॉल, और उसके साथ मसाले, सुगंध तथा औषधीय फ़सलों की लंबी सूची — और इनमें से हर एक, सिद्धांततः, किसी न किसी की गढ़ी हुई स्ट्रेन का निशाना है। जो तकनीक यहाँ बन सकती है, वही यहाँ की आमदनी भी हटा सकती है — और इनमें से क्या होगा, यह इस पर निर्भर है कि बनाता कौन है।

इसमें लगने वाले हुनर को ठीक-ठीक कहना ज़रूरी है, क्योंकि "सिंथेटिक बायोलॉजी" अक्सर क्लोनिंग की तरह पढ़ाई जाती है। क्लोनिंग आसान हिस्सा है। दुर्लभ क्षमता संख्यात्मक है: प्रवाह नापना, सबसे धीमा क़दम ढूँढ़ना, अभिव्यक्ति संतुलित करना, ऐसी छँटाई गढ़ना जो वही बताए जिसकी आपको सचमुच परवाह है, और यह जानना कि फ़्लास्क से टैंक तक क्या बदल जाता है। यह जीवित उत्प्रेरक पर लगाई गई रासायनिक इंजीनियरिंग है, और इस क्षेत्र की अनसुलझी समस्याएँ वहीं हैं।

अक्सर पूछे जाने वाले सवाल

मेटाबॉलिक इंजीनियरिंग क्या है?

यह किसी जीव की चयापचय में इस तरह बदलाव करना है कि वह कोई चुना हुआ यौगिक बनाए — आम तौर पर किसी दूसरी प्रजाति से कई क़दमों वाला एंज़ाइम रास्ता डालकर, और मेज़बान की अपनी प्रतिक्रियाएँ दोबारा संतुलित करके ताकि वे उस रास्ते को कच्चा माल दें।

यह बैक्टीरिया से इंसुलिन बनवाने से कठिन क्यों है?

इंसुलिन के लिए एक जीन से एक प्रोटीन चाहिए। पौधे वाले अणु के लिए कई एंज़ाइम क्रम से चाहिए, जहाँ बीच के यौगिक कोशिका को मार सकते हैं, रास्ता मेज़बान की वृद्धि से कच्चे माल के लिए होड़ लेता है, और पौधों के एंज़ाइम सूक्ष्मजीव में अक्सर ठीक से काम नहीं करते।

प्रिसिज़न फ़र्मेंटेशन क्या है?

यह किण्वक में गढ़े हुए सूक्ष्मजीवों से कोई ख़ास लक्ष्य अणु बनवाना है — कोई सुगंध, प्रोटीन या दवा का पूर्ववर्ती — न कि एथेनॉल जैसा थोक उत्पाद। बाद में उस अणु को शोरबे से अलग करके शुद्ध किया जाता है।

गढ़े हुए यीस्ट से आर्टेमिसिनिन बनाना बंद क्यों हुआ?

क्योंकि वह दाम में टिक नहीं पाया। किण्वन वाला रास्ता तकनीकी रूप से चला और 2013 में व्यावसायिक उत्पादन तक पहुँचा, पर उगाई गई स्वीट वर्मवुड से निकाले गए आर्टेमिसिनिन के दाम गिर गए और जैविक रास्ता समेट लिया गया।

क्या किण्वन से बनी सुगंध प्राकृतिक होती है?

यह देश के नियमों और कच्चे माल पर निर्भर है। कुछ नियामक व्यवस्थाओं में पौधे से मिले कच्चे माल के जैविक रूपांतरण से बना यौगिक प्राकृतिक सुगंध कहला सकता है, जबकि पेट्रोरसायन से बना बिल्कुल वैसा ही यौगिक नहीं कहला सकता।