Metabolic engineering
میٹابولک انجینئرنگ خلیوں کے اندر جینیاتی اور ریگولیٹری عمل کو بہتر بنانے کا عمل ہے تاکہ سیل کی کسی خاص مادے کی پیداوار میں اضافہ کیا جا سکے۔ یہ عمل کیمیائی نیٹ ورک ہیں جو بائیو کیمیکل رد عمل اور انزائموں کا ایک سلسلہ استعمال کرتے ہیں جو خلیوں کو خام مال کو سیل کی بقا کے لیے ضروری مالیکیولز میں تبدیل کرنے کی اجازت دیتے ہیں۔ میٹابولک انجینئرنگ خاص طور پر ریاضیاتی طور پر ان نیٹ ورکس کا نمونہ بنانے، مفید مصنوعات کی پیداوار کا حساب لگانے، اور نیٹ ورک کے پن پوائنٹ حصوں کی کوشش کرتی ہے جو ان مصنوعات کی پیداوار کو محدود کرتے ہیں۔ جینیاتی انجینئرنگ کی تکنیکوں کو پھر ان رکاوٹوں کو دور کرنے کے لیے نیٹ ورک میں ترمیم کرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ ایک بار پھر اس ترمیم شدہ نیٹ ورک کو نئی مصنوعات کی پیداوار کا حساب لگانے کے لیے ماڈل بنایا جا سکتا ہے۔ میٹابولک انجینئرنگ کا حتمی مقصد ان حیاتیات کو سرمایہ کاری مؤثر طریقے سے صنعتی پیمانے پر قیمتی مادے تیار کرنے کے لیے استعمال کرنے کے قابل ہونا ہے۔ موجودہ مثالوں میں بیئر، شراب، پنیر، دواسازی اور دیگر بائیوٹیکنالوجی مصنوعات کی تیاری شامل ہے۔ میٹابولک انجینئرنگ کے لیے استعمال ہونے والی کچھ عام حکمت عملیاں یہ ہیں: (1) بائیوسینتھیٹک راستے کے شرح کو محدود کرنے والے انزائم کو انکوڈنگ کرنے والے جین کو زیادہ سے زیادہ ظاہر کرنا، (2) مسابقتی میٹابولک راستوں کو روکنا، (3) ہیٹرولوگس جین کا اظہار، اور (4) انزائم انجینئرنگ۔ چونکہ خلیات ان میٹابولک نیٹ ورکس کو اپنی بقا کے لیے استعمال کرتے ہیں، اس لیے تبدیلیاں خلیوں کی عملداری پر شدید اثرات مرتب کر سکتی ہیں۔ لہذا، میٹابولک انجینئرنگ میں خلیوں کی مطلوبہ مادہ پیدا کرنے کی صلاحیت اور اس کی قدرتی بقا کی ضروریات کے درمیان تجارت پیدا ہوتی ہے۔ لہذا، میٹابولک انزائموں کے لیے انکوڈ کرنے والے جینوں کو براہ راست حذف کرنے اور/یا حد سے زیادہ اظہار کرنے کے بجائے، موجودہ توجہ میٹابولزم کو مؤثر طریقے سے انجینئر کرنے کے لیے سیل میں ریگولیٹری نیٹ ورکس کو نشانہ بنانا ہے۔ تاریخ اور استعمال ماضی میں، مطلوبہ میٹابولائٹ کی پیداواری صلاحیت کو بڑھانے کے لیے، ایک مائکروجنزم کو کیمیائی طور پر پیدا شدہ تغیر کے ذریعے جینیاتی طور پر تبدیل کیا جاتا تھا، اور پھر مطلوبہ میٹابولائٹ کو زیادہ ظاہر کرنے والے تغیر پذیر تناؤ کا انتخاب کیا جاتا تھا۔ تاہم، اس تکنیک کے ساتھ ایک اہم مسئلہ یہ تھا کہ اس میٹابولائٹ کی پیداوار کے لیے میٹابولک راستے کا تجزیہ نہیں کیا گیا تھا، اور اس کے نتیجے میں، پیداوار کی رکاوٹیں اور متعلقہ راستے کے انزائموں میں ترمیم نامعلوم تھی۔ 1990 کی دہائی میں میٹابولک انجینئرنگ نامی ایک نئی تکنیک سامنے آئی۔ یہ تکنیک مائکروجنزم کے میٹابولک راستے کا تجزیہ کرتی ہے، اور مطلوبہ مرکبات کی پیداوار پر رکاوٹوں اور ان کے اثرات کا تعین کرتی ہے۔ اس کے بعد یہ ان رکاوٹوں کو دور کرنے کے لیے جینیاتی انجینئرنگ کا استعمال کرتا ہے۔ کامیاب میٹابولک انجینئرنگ کی کچھ مثالیں درج ذیل ہیں: (i) کورینبیکٹیریم گلوٹامکم میں لائسین کی پیداوار میں رکاوٹوں کی شناخت اور پیداوار کو بہتر بنانے کے لیے ان رکاوٹوں کو دور کرنے کے لیے نئے جینوں کو داخل کرنا (ii) ایک نئے فیٹی ایسڈ بائیوسنتھیس راستے کی انجینئرنگ، جسے ریورسڈ بیٹا آکسیڈیشن پاتھ وے کہا جاتا ہے، جو فیٹی ایسڈ اور الکحل کی پیداوار میں مقامی راستے سے زیادہ موثر ہے جسے ممکنہ طور پر اتپریرک طور پر کیمیکلز اور ایندھن میں تبدیل کیا جا سکتا ہے (iii) ای کولی کے ذریعہ تیار کردہ خوشبودار میٹابولائٹ ڈی اے ایچ پی کی بہتر پیداوار جو خوشبودار امینو ایسڈ کی پیداوار میں ایک درمیانی ہے۔ میٹابولک فلکس تجزیہ کے ذریعے یہ طے کیا گیا کہ استعمال شدہ ڈی اے ایچ پی فی گلوکوز مالیکیول کی نظریاتی زیادہ سے زیادہ پیداوار 3/7 تھی۔ اس کی وجہ یہ ہے کہ گلوکوز سے نکلنے والا کچھ کاربن ڈی اے ایچ پی تیار کرنے کے لیے استعمال ہونے کے بجائے کاربن ڈائی آکسائیڈ کے طور پر ختم ہو جاتا ہے۔ نیز، ڈی اے ایچ پی تیار کرنے کے لیے استعمال ہونے والے میٹابولائٹس (پی ای پی، یا فاسفینولپیروویٹ) میں سے ایک کو خلیے میں گلوکوز منتقل کرنے کے لیے پائروویٹ (پی وائی آر) میں تبدیل کیا جا رہا تھا، اور اس وجہ سے، اب ڈی اے ایچ پی تیار کرنے کے لیے دستیاب نہیں تھا۔ پی ای پی کی کمی کو دور کرنے اور پیداوار بڑھانے کے لیے، پٹنائک اور دیگر۔ پی وائی آر کو پی ای پی میں تبدیل کرنے والے رد عمل کو متعارف کرانے کے لیے ای کولی پر جینیاتی انجینئرنگ کا استعمال کیا۔ اس طرح، خلیے میں گلوکوز کو منتقل کرنے کے لیے استعمال ہونے والا پی ای پی دوبارہ پیدا ہوتا ہے، اور اسے ڈی اے ایچ پی بنانے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ اس کے نتیجے میں 6/7 کی نئی نظریاتی زیادہ سے زیادہ پیداوار ہوئی جو کہ مقامی ای کولی نظام سے دگنی ہے۔ صنعتی پیمانے پر میٹابولک انجینئرنگ زیادہ آسان اور کفایتی ہوتی جا رہی ہے۔ بائیوٹیکنالوجی انڈسٹری آرگنائزیشن کے مطابق، "قابل تجدید بائیو ماس سے بائیو فیول اور کیمیکل تیار کرنے کے لیے میٹابولک انجینئرنگ کو لاگو کرنے کے لیے شمالی امریکہ میں 50 سے زیادہ بائیو ریفائنری سہولیات تعمیر کی جا رہی ہیں جو گرین ہاؤس گیس کے اخراج کو کم کرنے میں مدد کر سکتی ہیں۔" ممکنہ حیاتیاتی ایندھن میں شارٹ چین الکحل اور الکین (پٹرول کی جگہ لینے کے لیے)، فیٹی ایسڈ میتھائل ایسٹر اور فیٹی الکحل (ڈیزل کی جگہ لینے کے لیے)، اور فیٹی ایسڈ اور آئسوپرینائڈ پر مبنی حیاتیاتی ایندھن (ڈیزل کی جگہ لینے کے لیے) شامل ہیں۔ میٹابولک انجینئرنگ مصنوعی حیاتیات کے میدان میں پیشرفت اور میٹابولائٹ کے نقصان اور اس کی مرمت یا پریمپشن کو سمجھنے میں پیشرفت کی مدد سے کارکردگی اور عمل میں ترقی جاری رکھے ہوئے ہے۔ ابتدائی میٹابولک انجینئرنگ کے تجربات سے پتہ چلتا ہے کہ رد عمل والے انٹرمیڈیٹس کا جمع ہونا انجینئرڈ راستوں میں بہاؤ کو محدود کر سکتا ہے اور اگر مماثل نقصان پر قابو پانے کے نظام غائب ہیں یا ناکافی ہیں تو میزبان خلیوں کے لیے نقصان دہ ہو سکتا ہے۔ مصنوعی حیاتیات میں محققین جینیاتی راستوں کو بہتر بناتے ہیں، جو بدلے میں سیلولر میٹابولک آؤٹ پٹ کو متاثر کرتے ہیں۔ ترکیب شدہ ڈی این اے کی لاگت میں حالیہ کمی اور جینیاتی سرکٹس میں ہونے والی پیش رفت میٹابولک انجینئرنگ کی مطلوبہ نتائج پیدا کرنے کی صلاحیت کو متاثر کرنے میں مدد کرتی ہے۔ میٹابولک فلکس تجزیہ میٹابولک فلکس کا تجزیہ فلکس بیلنس تجزیہ میں پایا جا سکتا ہے تجزیہ کے لیے میٹابولک راستہ ترتیب دینا اس عمل کا پہلا قدم کسی جاندار کے میٹابولزم کی بہتری یا ترمیم کے ذریعے حاصل کرنے کے لیے مطلوبہ مقصد کی نشاندہی کرنا ہے۔ حوالہ جات کی کتابیں اور آن لائن ڈیٹا بیس کا استعمال رد عمل اور میٹابولک راستوں کی تحقیق کے لیے کیا جاتا ہے جو اس پروڈکٹ یا نتیجہ کو پیدا کرنے کے قابل ہوتے ہیں۔ ان ڈیٹا بیس میں بہت زیادہ جینومک اور کیمیائی معلومات ہوتی ہیں جن میں میٹابولزم اور دیگر سیلولر عمل کے راستے شامل ہیں۔ اس تحقیق کا استعمال کرتے ہوئے، ایک جاندار کا انتخاب کیا جاتا ہے جو مطلوبہ مصنوعات یا نتیجہ بنانے کے لیے استعمال کیا جائے گا۔ یہ فیصلہ کرتے وقت جن باتوں کو مدنظر رکھا جاتا ہے وہ یہ ہیں کہ حیاتیات کا میٹابولک راستہ مطلوبہ راستے کے کتنا قریب ہے، حیاتیات سے وابستہ دیکھ بھال کے اخراجات، اور حیاتیات کے راستے میں ترمیم کرنا کتنا آسان ہے۔ ایسچریچیا کولی (ای کولی) میٹابولک انجینئرنگ میں وسیع پیمانے پر استعمال ہوتا ہے تاکہ مختلف قسم کی مصنوعات جیسے امینو ایسڈ کی ترکیب کی جا سکے کیونکہ اسے برقرار رکھنا اور اس میں ترمیم کرنا نسبتا آسان ہے۔ اگر جاندار مطلوبہ مصنوع یا نتیجہ کے لیے مکمل راستہ پر مشتمل نہیں ہے، تو لاپتہ انزائم پیدا کرنے والے جینوں کو حیاتیات میں شامل کیا جانا چاہیے۔ میٹابولک راستے کا تجزیہ مکمل میٹابولک راستے کو ریاضیاتی طور پر نمونہ بنایا جاتا ہے تاکہ پروڈکٹ کی نظریاتی پیداوار یا سیل میں رد عمل کے بہاؤ کو تلاش کیا جا سکے۔ بہاؤ وہ شرح ہے جس پر نیٹ ورک میں دیا گیا رد عمل ہوتا ہے۔ سادہ میٹابولک راستے کا تجزیہ ہاتھ سے کیا جا سکتا ہے، لیکن زیادہ تر کو حسابات انجام دینے کے لیے سافٹ ویئر کے استعمال کی ضرورت ہوتی ہے۔ یہ پروگرام ان ماڈلز کو حل کرنے کے لیے پیچیدہ لکیری الجبرا الگورتھم کا استعمال کرتے ہیں۔ ذیل میں دکھائے گئے طے شدہ نظاموں کے لیے مساوات کا استعمال کرتے ہوئے نیٹ ورک کو حل کرنے کے لیے، متعلقہ رد عمل اور ان کے بہاؤ کے بارے میں ضروری معلومات داخل کرنا ضروری ہے۔ رد عمل کے بارے میں معلومات (جیسے رد عمل اور اسٹائکومیٹری) میٹرکس Gx اور Gm میں موجود ہیں۔ میٹرکس Vm اور Vx متعلقہ رد عمل کے بہاؤ پر مشتمل ہوتے ہیں۔ جب حل کیا جاتا ہے، تو مساوات تمام نامعلوم بہاؤ (Vx میں موجود) کی اقدار حاصل کرتی ہے۔ زیادہ سے زیادہ جینیاتی ہیرا پھیری کا تعین نیٹ ورک میں رد عمل کے بہاؤ کو حل کرنے کے بعد، یہ طے کرنا ضروری ہے کہ مطلوبہ مصنوع کی پیداوار کو زیادہ سے زیادہ کرنے کے لیے کن رد عمل کو تبدیل کیا جا سکتا ہے۔ اس بات کا تعین کرنے کے لیے کہ کون سی مخصوص جینیاتی ہیرا پھیری انجام دینی ہے، کمپیوٹیشنل الگورتھم کا استعمال کرنا ضروری ہے، جیسے کہ آپٹ جین یا آپٹ فلکس۔ وہ سفارشات فراہم کرتے ہیں جن کے لیے جین کو حد سے زیادہ ظاہر کیا جانا چاہیے، ناک آؤٹ کیا جانا چاہیے، یا کسی خلیے میں متعارف کرایا جانا چاہیے تاکہ مطلوبہ مصنوعات کی پیداوار میں اضافہ ہو سکے۔ مثال کے طور پر، اگر کسی دیئے گئے رد عمل میں خاص طور پر کم بہاؤ ہوتا ہے اور مصنوعات کی مقدار کو محدود کر رہا ہے، تو سافٹ ویئر تجویز کر سکتا ہے کہ رد عمل کے بہاؤ کو بڑھانے کے لیے اس رد عمل کو متحرک کرنے والے انزائم کو خلیے میں زیادہ سے زیادہ ظاہر کیا جانا چاہیے۔ معیاری سالماتی حیاتیات کی تکنیکوں کا استعمال کرتے ہوئے ضروری جینیاتی ہیرا پھیری کی جا سکتی ہے۔ جینز کو کسی جاندار سے حد سے زیادہ ظاہر کیا جا سکتا ہے یا باہر نکالا جا سکتا ہے، اس کا انحصار راستے اور حتمی مقصد پر ان کے اثر پر ہوتا ہے۔ تجرباتی پیمائش ایک قابل حل ماڈل بنانے کے لیے، اکثر یہ ضروری ہوتا ہے کہ کچھ فلکس پہلے سے معلوم ہوں یا تجرباتی طور پر ماپا جائے۔ اس کے علاوہ، میٹابولک نیٹ ورک پر جینیاتی ہیرا پھیری کے اثرات کی تصدیق کے لیے (اس بات کو یقینی بنانے کے لیے کہ وہ ماڈل کے ساتھ صف بندی کرتے ہیں)، نیٹ ورک میں بہاؤ کی تجرباتی پیمائش کرنا ضروری ہے۔ رد عمل کے بہاؤ کی پیمائش کے لیے کاربن کے بہاؤ کی پیمائش کاربن-13 آئسوٹوپک لیبلنگ کا استعمال کرتے ہوئے کی جاتی ہے۔ جاندار کو ایک مرکب کھلایا جاتا ہے جس میں مالیکیول ہوتے ہیں جہاں مخصوص کاربن کاربن-12 کے بجائے کاربن-13 ایٹم بننے کے لیے تیار کیے جاتے ہیں۔ ان مالیکیولز کے نیٹ ورک میں استعمال ہونے کے بعد، نیچے کی طرف میٹابولائٹس پر بھی کاربن-13 کا لیبل لگ جاتا ہے، کیونکہ وہ ان ایٹموں کو اپنی ساخت میں شامل کرتے ہیں۔ مختلف میٹابولائٹس کے مخصوص لیبلنگ پیٹرن کا تعین نیٹ ورک میں رد عمل کے بہاؤ سے ہوتا ہے۔ لیبلنگ کے نمونوں کو رد عمل کے بہاؤ کا تعین کرنے کے لیے کمپیوٹیشنل الگورتھم کے ساتھ گیس کرومیٹوگرافی-ماس سپیکٹرومیٹری (جی سی-ایم ایس) جیسی تکنیکوں کا استعمال کرتے ہوئے ماپا جا سکتا ہے۔ یہ بھی دیکھیں بیکٹیریل ٹرانسفارمیشن بائیو ریکٹر جینیٹک انجینئرنگ مصنوعی حیاتیاتی سرکٹ مصنوعی حیاتیات حوالہ جات بیرونی روابط بائیوٹیکنالوجی انڈسٹری آرگنائزیشن (بی آئی او) ویب سائٹ: بی آئی او ویب سائٹ حیاتیاتی انجینئرنگ