जीनोम सिक्वेन्सिंंग

डॉ. योगेश शौचे
मंगळवार, 27 एप्रिल 2021

कव्हर स्टोरी

संशोधन क्षेत्रात आपण कधीच मागे नसल्याने जीनोमचा क्रम तपासण्याची क्षमता देशात होतीच. जसे जगभर कोरोना विषाणूचे वेगवेगळे व्हेरियंट दिसू लागले तसे आपल्याकडेही ह्या बदलांचा नियोजनपूर्वक अभ्यास करण्याची कल्पना पुढे आली. त्यातून मग देशातल्या दहा संस्थांच्या सहभागाने  INSACOG ह्या गटाची स्थापना झाली आणि कोरोनाच्या जीनोमचा क्रम तपासण्याच्या देशव्यापी कार्यक्रमाची सुरुवात जैवतंत्रज्ञान विभागाच्या आर्थिक साहाय्याने सुरू झाली.

कोरोनामुळे फक्त शास्त्रीय, त्यातूनही जीवशास्त्र / रेण्वीय जीवशास्त्रीय जगालाच माहिती असलेल्या अनेक तंत्रांची निदान नावे तरी आता बहुतेक सगळ्यांनाच माहिती झाली आहेत. एक वर्षापूर्वी ‘आरटी पीसीआर’ हा शब्द शास्त्र शाखेचा अभ्यास केलेल्याला सगळ्यांनाही माहिती नव्हता. आज तो जवळपास प्रत्येकाला माहिती आहे. तसेच गेल्या काही दिवसात ‘जीनोम सिक्वेन्स' (जनुकीय क्रम) हा शब्द चर्चेत आला आहे. ‘जीनोम सिक्वेन्स' म्हणजे नक्की काय?, कोरोना विषाणूच्या अभ्यासात त्याची भूमिका काय? त्यातून मिळालेल्या माहितीचा रोग नियंत्रणासाठी कसा उपयोग होतो? असे अनेक प्रश्न मनात येतात. 

जीनोम म्हणजे काय?
सगळ्या सजीवांमध्ये त्यांचे गुणधर्म, वाढ इत्यादीसाठी लागणारी माहिती पेशीतल्या केंद्रकात साठवलेली असते. ही माहिती केंद्रकात असलेल्या नुक्लीक आम्लामध्ये असते आणि ‘ए’, ‘टी’, ‘जी’, व ‘सी’ हे चार बेस त्याचा मुख्य भाग असतो. कार्बनचे पाच रेणू असलेली ‘रायबोज’ ही शर्करा व फॉस्फेटच कणा असलेल्या ह्या आम्लामध्ये ह्या बेसेसच्या विशिष्ट क्रमामध्ये ही माहिती साठवलेली असते. साधे उदाहरण द्यायचे झाले तर आपल्या मराठी भाषेत ५२ मुळाक्षरे आहेत आणि ही अक्षरे वेगवेगळ्या तऱ्हेने एकत्र येऊन शब्द बनतात आणि अनेक शब्द एकत्र येऊन वाक्य बनते. अनेक वाक्यांची कथा बनते. तसेच हे बेस वेगवेगळ्या क्रमाने एकत्र येऊन जीवनाचे गुणधर्म नियंत्रण करण्याची परिभाषा तयार करतात. हेच न्युक्लीक आम्ल या गुणधर्मांचे एका पिढीकडून दुसऱ्या पिढीकडे संक्रमण करतात. एका पेशीपासून दोन पेशी तयार होताना, या न्युक्लीक आम्लाच्या दोन प्रतिकृती तयार होतात आणि प्रत्येक पेशीत एक एक विभागली जातात. बहुसंख्य सजीवांमध्ये या आम्लाचा कणा ‘डीओक्सिरायबोज’ या शर्करेचा असतो तर काही अपवादात्मक जीव, मुख्यत्वे विषाणूंमध्ये तो ‘रायबोन्युक्लीक’ आम्लाचा असतो.

जीनोममधला बदल आणि म्युटेशन
जीनोममध्ये साठवलेली माहिती एका पिढीकडून दुसऱ्या पिढीकडे जाण्यासाठी पुनरुत्पादन होत असताना जीनोमच्या एक किंवा अनेक प्रती तयार होणे आवश्यक असते. सर्वसाधारणपणे पेशीचे विभाजन होत असताना एका पेशीच्या दोन पेशी होत असल्या तरी विषाणूंचे साधे विभाजन होत नाही. ते दुसऱ्या पेशीत प्रवेश करून त्यांची यंत्रणा ताब्यात घेतात आणि जबरदस्तीने स्वतःचे पुनरुत्पादन करून असंख्य विषाणू तयार करतात, त्यामुळे त्यांच्या जीनोमच्या अनेक प्रती त्या पेशीत तयार केल्या जातात. नंतर हा जीनोम प्रथिनांच्या आवरणात गुंडाळला जातो आणि ती पेशी फोडून बाहेर पडतो. जीनोमच्या प्रतिकृती तयार करणारी यंत्रणा दर वेळी अचूक प्रतिकृती बनवेलच असे नाही, त्यात काही वेळा चुका होतात. माणसासारख्या उत्क्रांत झालेल्या जीवांमध्ये ही यंत्रणा कमीत कमी चुका करते आणि त्या झाल्याच तर त्या दुरुस्त करण्याची यंत्रणाही असते. त्यामुळे चुका होण्याची शक्यता खूपच कमी असते. पण ह्या चुकांमुळे जीनोमचा क्रम बदलतो. वरचेच उदाहरण परत घ्यायचे झाले तर काही वेळा या बदलाने वाक्याचा अर्थ फारसा बदलत नाही आणि चुका खपून जातात. काही वेळा मात्र त्यामुळे वाक्याचा अर्थ बदलतो. हा बदल काही वेळा त्या जिवाला इतका धोकादायक असतो की तो असलेला जीव जगूच शकत नाही. पण जर हा बदल त्या जिवाला जगू देणारा असेल तर मग तो जीव पुढे वाढतो. ह्या बदलामुळे त्या जिवाचा नैसर्गिक स्पर्धेत जर काही फायदा होणार असेल तर तो जीव मग स्पर्धेत पुढे जातो आणि त्याची संख्या वाढते. ढोबळमानाने बोलायचे झाले तर जीनोममध्ये झालेला बदल म्हणजे ‘म्युटेशन’ आणि असा जीनोम असलेला जीव म्हणजे ‘व्हेरियंट’. 

जीनोम सिक्वेन्स
हे सगळे जरी सोपे वाटले तरी जीनोमचा क्रम तपासून त्यातले बदल शोधणे सोपे नाही. कारण डीएनए/आरएनएच्या रेणूचा क्रम आपल्याला तपासायचा आहे. साधारण १९७९-८०च्या सुमारास ‘डीएनए’चा क्रम तपासायच्या पद्धती विकसित केल्या गेल्या आणि एक शास्त्रीय क्रांती झाली. ह्या पद्धती शोधणाऱ्या सेंगर आणि गिलबर्ट यांना १९८० साली नोबेल पुरस्कार मिळाला. यावरून ह्या शोधाचे महत्त्व लक्षात येईल. परंतु या सुरुवातीच्या पद्धती फारच वेळखाऊ आणि किचकट होत्या. त्या वापरून एका वर्षात जास्तीत जास्त १००० बेस लांब क्रम काढता यायचा. कोरोना विषाणूचा जीनोम २९,००० बेस तर माणसाचा जीनोम ६४० कोटी बेसचा असतो. एका अंदाजानुसार त्या पद्धतींचा वापर करून माणसाच्या जीनोमचा क्रम ठरविण्यासाठी ११,००० कोटी रुपये आणि ११ वर्षे लागली असती. त्यामुळेच या शतकाच्या सुरुवातीपासून शास्त्रज्ञ जीनोमचा क्रम तपासण्याच्या जलद आणि स्वस्त पद्धती शोधत होते. त्याचा परिणाम म्हणजे आज माणसाच्या जीनोमचा क्रम सरासरी एका दिवसात आणि जास्तीत जास्त एक लाख रुपयात तपासणे शक्य झाले आहे. त्यामुळेच आज कोरोनाची दुसरी लाट धुमाकूळ घालत असताना विषाणूच्या जीनोममध्ये नक्की काय बदल झाले आहेत हे समजणे सोपे झाले आहे.

विषाणूच्या जीनोमचा क्रम का?
जीनोमचा क्रम तपासण्याचे तंत्र जलद व स्वस्त झाल्याने जीवशास्त्रात खूप मोठी क्रांती घडून आली आणि अनेक प्रश्नांची उत्तरे मिळणे सोपे झाले. जी उत्तरे मिळण्यासाठी बरेच प्रयोग आणि वेळ लागायचा ती उत्तरे झटकन मिळणे शक्य झाले. माणूस आणि सर्व सजीवांच्या शरीरातील मूलभूत प्रक्रीया, संसर्गजन्य व आनुवंशिक आजार, त्यावरचे उपचार याबरोबरच शेती व पर्यावरणाविषयी देखील खूप नवी माहिती मिळाली आहे. 

आज कोरोनाकाळात कोरोना विषाणूचा प्रसार व त्यातले बदल समजून घेण्यासाठीही याच तंत्राचा वापर केला जात आहे. मुळात कोरोना कशामुळे होतो आणि त्याचा उगम कसा झाला असावा हेच आपल्याला जीनोमचा क्रम तपासून कळले. चीनच्या हुबेइ प्रांतातल्या वुहान शहरात ताप व न्यूमोनियाची लक्षणे दिसत असलेल्या रुग्णाच्या नमुन्यातून जीनोमचा क्रम तपासाला, तेव्हा त्यात कोरोना वर्गातला एक नवा विषाणू असल्याचे दिसले आणि त्या आजाराचे कारण समजले. पुढे आणखी नमुन्यातून क्रम तपासून त्याची तुलना उपलब्ध असलेल्या त्याच वर्गातल्या इतर विषाणूंशी केल्यानंतर हा विषाणू बहुधा वटवाघळातून माणसात आला असावा असा अंदाज बांधला गेला.  

संसर्ग रोगाच्या जिवाणू /विषाणूंच्या बाबतीत संसर्ग जसा पसरत जातो तसा तो जिवाणू/विषाणू कसा बदलत जातो हे देखील माहिती असणे आवश्यक असते, कारण त्या बदलाचा त्याच्या प्रसारावर आणि प्रतिबंधात्मक उपायांवर परिणाम होत असतो. कोरोनाच्या बाबतीतही हा विषाणू जसा जगभर पसरत गेला तसा त्याच्यात होणाऱ्या बदलांच्या अभ्यासासाठी जागतिक स्तरावर प्रयत्न सुरू झाले. जगाच्या विविध भागातून कोरोना विषाणूचा जीनोमचा क्रम तपासला जात आहे. ब्रिटन, ऑस्ट्रेलिया, न्यूझीलंड सारखे काही देश तर हा अभ्यास खूप नियोजनपूर्वक  करत आहेत.  ‘A global initiative on sharing avian flu data’ (GISAID) या संकेतस्थळावर हे क्रम उपलब्ध केले जात आहेत. आज तिथे जगभरातून सुमारे दहा लाख क्रम उपलब्ध आहेत. त्यातून विषाणूचा प्रसार आणि त्यातले बदल याविषयी खूप मोलाची माहिती मिळाली आहे. 

कोरोनाचे व्हेरियंट 
वर सांगितल्याप्रमाणे विषाणूची वाढ होत असताना जेव्हा त्याच्या जीनोमच्या प्रतिकृती तयार होताना त्यात चुका होतात तेव्हा विषाणूचे व्हेरियंट तयार होतात. कोरोनाचे असे काही हजार व्हेरियंट त्याचा प्रसार सुरू झाल्यापासून झाले आहेत. पण जोपर्यंत हे बदल त्या विषाणूच्या वागण्यात बदल करत नाहीत तोपर्यंत त्यांच्याकडे कुणी लक्ष देत नाही. त्यातही हे बदल विषाणूच्या नियंत्रणात समस्या निर्माण करणार असतील तर ते जास्त चिंताजनक  असतात. ज्या बदलांमुळे विषाणूचा प्रसार जास्त वेगाने होतो, विषाणूमुळे होणारा आजार जास्त गंभीर होतो, त्यावरची औषधे निष्प्रभावी होतात किंवा ते आपल्या रोगप्रतिकार शक्तीला चकवा देतात, असे बदल खूपच धोकादायक ठरतात. शेवटच्या बदलामुळे संसर्ग झालेल्यांचा आजार जास्त गंभीर होतो एवढेच नाही तर ते आधी संसर्ग झालेल्याला पुन्हा संसर्ग करू शकतात आणि प्रतिबंधक लसही त्यावर त्यावर कुचकामी ठरते. 

गेल्या काही दिवसात कोरोना विषाणूचे बरेच व्हेरियंट यापैकी एक किंवा अनेक कारणामुळे चर्चेत आले आहेत. मागील वर्षाच्या शेवटी ब्रिटनच्या केंट भागात निर्बंध असूनही कोरोनाची साथ ओसरत नसल्याचे दिसले. ब्रिटनमध्ये नियोजनपूर्वक कोरोनाच्या नमुन्यांच्या जीनोमचा क्रम तपासला जात असल्याने ह्या भागातल्या विषाणूंचा जीनोम जेव्हा बघितला तेव्हा हा नवा प्रकार अस्तित्वात आल्याचे आढळून आले. त्यामध्ये एकूण तेवीस म्युटेशन सापडली. विषाणूच्या जुन्या नमुन्यातल्या जीनोमचे क्रम बघितल्यानंतर हा प्रकार सप्टेंबरमध्येच अस्तित्वात आला आणि तो केंटबरोबरच लंडन व इसेक्समध्ये पसरत असल्याचे दिसले. आज तो युरोप व भारतासह जगातल्या अनेक देशात पसरला आहे. वेग वेगळ्या अभ्यासातून तो मूळच्या विषाणूच्या दीडपट वेगाने पसरत असल्याचे दिसले आहे. पण नुकत्याच प्रसिद्ध झालेल्या अभ्यासातून तो मूळ विषाणूपेक्षा जास्त घातक नसल्याचे सिद्ध झाले आहे. 

यूकेच्या पाठोपाठ आलेला दुसरा चिंताजनक व्हेरियंट म्हणजे दक्षिण आफ्रिकेतला. तिथे आलेल्या दुसऱ्या लाटेत तो सापडला. वेगाने प्रसार आणि तरुणांमध्ये लागण यामुळे त्याचे वेगळेपण लक्षात आले. जीनोमच्या क्रमाच्या अभ्यासातून त्यात अनेक म्युटेशन असल्याचे दिसून आले. आज उपलब्ध असलेल्या बहुतेक लशी त्याला रोखण्यात थोड्या कमकुवत असल्याने त्याविषयी जास्त चिंता आहे. मॉडर्नाने त्यावर परिणामकारक असणारी नवी लस तयार केल्याचा दावा केला आहे.  

ब्राझील व्हेरियंट ब्राझीलमधून जपानमध्ये गेलेल्या चार प्रवाशांमध्ये प्रथम सापडला. त्या पाठोपाठ तो ब्राझीलच्या अमाझोनास प्रांतात झपाट्याने पसरत असल्याचे आणि त्याची लागण प्रौढांमध्ये जास्त प्रमाणात होत असल्याचे दिसले. सध्या संपूर्ण दक्षिण अमेरिका या व्हेरियंटच्या सावटाखाली आहे, ह्या काळ्या ढगाची रुपेरी किनार म्हणजे चीनने तयार केलेली सिनोव्हेक ही लस त्यापासून ५० टक्क्यांपेक्षा जास्त संरक्षण देत असल्याची चांगली बातमी आली आहे.  ह्या सगळ्यांच्या मानाने कॅलिफोर्निया व्हेरियंट कमी काळजीचा म्हणावा लागेल, कारण त्याचा प्रसार फक्त २० टक्के इतकाच जास्त होतो आणि लशीच्या परिणामकारतेवरही त्याचा फारसा परिणाम होत असल्याचे दिसत नाही. 

भारतातील स्थिती
संशोधन क्षेत्रात आपण कधीच मागे नसल्याने जीनोमचा क्रम तपासण्याची क्षमता देशात होतीच. त्यामुळे फेब्रुवारी २०२० पासून देशात कोरोना पसरायला लागल्यानंतर लगेचच हैदराबादची सीसीएमबी, गांधीनगरची जीएसबीटीएम यांसारख्या काही संस्थांनी देशातल्या कोरोना विषाणूचा क्रम तपासला. जूनमधे केंद्र सरकारच्या जैवतंत्रज्ञान विभागाच्या पुढाकाराने एका देशव्यापी प्रकल्पात देशाच्या वेगवेगळ्या भागातून १००० विषाणूच्या नमुन्यांचा क्रम तपासला. जसे जगभर वेगवेगळे व्हेरियंट दिसू लागले, तसे आपल्याकडेही ह्या बदलांचा नियोजनपूर्वक अभ्यास करण्याची कल्पना पुढे आली. त्यातून मग देशातल्या दहा संस्थांच्या सहभागाने Indian SARS-CoV-2 Consortium on Genomics (INSACOG) ह्या गटाची स्थापना झाली आणि कोरोनाच्या जीनोमचा क्रम तपासण्याच्या देशव्यापी कार्यक्रमाची सुरुवात जैवतंत्रज्ञान विभागाच्या आर्थिक साहाय्याने सुरू झाली. 

या गटाने आतापर्यंत देशभरातून १० हजारांच्यावर नमुन्यांतून विषाणूंच्या जीनोमचा क्रम तपासला आहे. त्यातून दोन महत्त्वाचे निष्कर्ष हाती लागले आहेत. ते म्हणजे पंजाबमध्ये युकेमधून आलेला व्हेरियंट पसरलेला आहे, पंजाबमधल्या ८० टक्क्यांपेक्षा जास्त नमुन्यांत तो आढळला आहे. तर महाराष्ट्रात एक नवा व्हेरियंट सापडला आहे. विषाणू मानवी पेशींमध्ये प्रवेश करण्यासाठी ज्या स्पाइक प्रथिनाचा वापर करतो, त्या प्रथिनात या विषाणूमध्ये दोन ठिकाणी बदल झाल्याचे दिसून आले. ते बदल म्हणजे E484Q, याचा अर्थ ४८४ व्या जागी ‘ग्लुटामिक आम्ला’ऐवजी ‘ग्लुटामिन’, तर L452R  म्हणजे ४५२व्या जागी ‘लुसिनॅ' ऐवजी ‘अर्जिनिनॅ' हे अमिनो आम्ल आले. हे दोन्ही बदल याआधी जगात दुसरीकडे वेगवेगळे सापडले आहेत; पण ह्या व्हेरियंटमध्ये हे दोन्ही एकत्र पहिल्यांदाच सापडले. ह्या दोन्ही बदलांमुळे विषाणूचा प्रसार वेगाने होण्याची शक्यता असते व तो रोगप्रतिकारक शक्तीला चकवा देऊ शकतो. महाराष्ट्रात अचानक रुग्णसंख्या वेगाने वाढण्यामागे विषाणूचा हा व्हेरियंट असू शकतो असा प्राथमिक अंदाज आहे. देशाच्या इतरही काही भागात हा प्रकार सापडला आहे. सध्या त्यावर पुढील संशोधन चालू आहे. गरज पडल्यास त्याचा लशींमध्ये समावेशही करता येईल. जीनोमचा क्रम तपासण्याच्या तंत्रामुळे आज आपल्याला विषाणूत होणाऱ्या बदलांची अचूक माहिती मिळणे शक्य झाले आहे. विषाणू जितका पसरेल तितके त्यात जास्त बदल होणार आणि त्यातले काही आपल्या उपचारांची परिणामकारकता कमी करणार. ते थांबवण्यासाठी सामाजिक अंतर राखण्यासह सर्व निर्बंधांचे पालन करून विषाणूचा प्रसार रोखणे आवश्यक आहे. तरच तो हाताबाहेर जाणार नाही. 

(लेखक पुणे येथील राष्ट्रीय कोशिका विज्ञान केंद्रातील निवृत्त वैज्ञानिक आहेत.)

संबंधित बातम्या