જીવવિજ્ઞાનની 'મોલેક્યુલર કાતર': CRISPR-Cas9 દ્વારા જિનેટિક રોગોની સારવાર અને ભવિષ્યની ક્રાંતિ

જીવવિજ્ઞાનના ઇતિહાસમાં કેટલીક એવી શોધો હોય છે જે સમગ્ર માનવજાતનું ભવિષ્ય બદલવાની ક્ષમતા ધરાવે છે. CRISPR-Cas9 (ક્લસ્ટર્ડ રેગ્યુલરલી ઇન્ટરસ્પેસ્ડ શોર્ટ પેલિન્ડ્રોમિક રિપીટ્સ) આવી જ એક ક્રાંતિકારી ટેકનોલોજી છે, જેને સામાન્ય ભાષામાં 'મોલેક્યુલર કાતર' તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. આ ટેકનોલોજી વૈજ્ઞાનિકોને જીવંત સજીવોના ડીએનએ (DNA) માં અત્યંત ચોકસાઈપૂર્વક ફેરફાર કરવાની શક્તિ આપે છે. વિકિપીડિયાના અહેવાલ મુજબ, આ શોધ માટે વર્ષ ૨૦૨૦માં ઇમેન્યુઅલ ચાર્પન્ટિયર અને જેનિફર ડૌડનાને રસાયણશાસ્ત્રનું નોબેલ પુરસ્કાર એનાયત કરવામાં આવ્યું હતું.

CRISPR મૂળભૂત રીતે પ્રકૃતિમાં જોવા મળતી એક સંરક્ષણ પ્રણાલી છે. તે બેક્ટેરિયા અને આર્કિયા (archaea) જેવા આદિકોષકેન્દ્રી સજીવોના જીનોમમાં જોવા મળતી ડીએનએ શૃંખલાઓનો એક પરિવાર છે. જ્યારે કોઈ વાયરસ બેક્ટેરિયા પર હુમલો કરે છે, ત્યારે બેક્ટેરિયા તે વાયરસના ડીએનએનો એક નાનો ટુકડો પોતાની આ CRISPR શૃંખલામાં સાચવી લે છે. આ પ્રક્રિયા બેક્ટેરિયાને ભવિષ્યમાં તે જ પ્રકારના વાયરસ સામે લડવા માટે એક પ્રકારની 'યાદશક્તિ' અથવા હસ્તગત રોગપ્રતિકારક શક્તિ (acquired immunity) પૂરી પાડે છે. સ્ત્રોત ૧ મુજબ, લગભગ ૫૦% બેક્ટેરિયા અને ૯૦% આર્કિયામાં આ કુદરતી સુરક્ષા કવચ જોવા મળે છે.

આ પ્રણાલીનો ઇતિહાસ ઘણો રસપ્રદ છે. ૧૯૮૭માં ઇશિનો અને તેમના સાથીઓએ સૌપ્રથમવાર E. coli બેક્ટેરિયામાં આ અસામાન્ય પુનરાવર્તિત શૃંખલાઓ જોઈ હતી. જોકે, તે સમયે તેનું કાર્ય અકબંધ હતું. ૨૦૦૧માં સ્પેનિશ માઇક્રોબાયોલોજિસ્ટ ફ્રાન્સિસ્કો મોજિકાએ આ શૃંખલાઓને 'CRISPR' નામ આપ્યું હતું. ૨૦૦૫માં બેરેન્ગોએ શોધ્યું કે આ શૃંખલાઓ વાયરસ સામે પ્રતિકાર કરવામાં મદદ કરે છે. ૨૦૧૨માં ડૌડના અને ચાર્પન્ટિયરે આ કુદરતી પ્રણાલીને પ્રયોગશાળામાં એક સરળ સાધન તરીકે વિકસાવી, જેનો ઉપયોગ કોઈપણ ડીએનએને કાપવા માટે થઈ શકે છે.

CRISPR-Cas9 કેવી રીતે કાર્ય કરે છે તે સમજવા માટે આપણે તેના બે મુખ્ય ભાગોને સમજવા પડશે. પ્રથમ છે Cas9 (કેસ-૯), જે એક એન્ડોન્યુક્લિએઝ (endonuclease) ઉત્સેચક છે. તે ડીએનએને કાપવાનું કામ કરે છે. બીજો ભાગ છે ગાઈડ આરએનએ (guide RNA), જે Cas9 ને ડીએનએના ચોક્કસ ભાગ સુધી લઈ જવાનું કામ કરે છે. આ પ્રક્રિયા એક જીપીએસ (GPS) સિસ્ટમ જેવી છે, જ્યાં આરએનએ લોકેશન નક્કી કરે છે અને Cas9 ત્યાં જઈને કાપ મૂકે છે.

જ્યારે Cas9 અને ગાઈડ આરએનએનું મિશ્રણ કોષમાં દાખલ કરવામાં આવે છે, ત્યારે તે ડીએનએની લાંબી શૃંખલા પર ફરે છે. Cas9 ખાસ કરીને PAM (પ્રોટોસ્પેસર એડજસન્ટ મોટિફ) નામના ટૂંકા સંકેતને શોધે છે. Streptococcus pyogenes બેક્ટેરિયામાંથી મેળવેલા Cas9 માટે આ સંકેત 'NGG' છે. એકવાર PAM મળી જાય પછી, Cas9 ડીએનએને ખોલે છે અને જો ગાઈડ આરએનએ સાથે ડીએનએનો ક્રમ મેચ થાય, તો તે ત્યાં ડબલ-સ્ટ્રેન્ડ બ્રેક (double-strand break) એટલે કે ડીએનએની બંને પટ્ટીઓને કાપી નાખે છે.

ડીએનએમાં કાપ મૂક્યા પછી, કોષની પોતાની સમારકામ પ્રણાલી (repair mechanism) સક્રિય થાય છે. અહીં બે મુખ્ય રસ્તાઓ છે: પ્રથમ છે નોન-હોમોલોગસ એન્ડ જોઈનિંગ (NHEJ), જેમાં કોષ કપાયેલા છેડાઓને સીધા જોડી દે છે. આ પ્રક્રિયામાં ઘણીવાર નાની ભૂલો થાય છે, જેનાથી તે જનીન નિષ્ક્રિય થઈ જાય છે. બીજો રસ્તો છે હોમોલોગસ રિકોમ્બિનેશન (HDR), જેમાં જો વૈજ્ઞાનિકો ડીએનએનો એક નવો ટુકડો સાથે મોકલે, તો કોષ તે નવા ટુકડાને કાપેલા ભાગમાં જોડી દે છે. આ રીતે આપણે ખામીયુક્ત જનીનને સુધારી શકીએ છીએ અથવા નવું જનીન ઉમેરી શકીએ છીએ.

CRISPR ટેકનોલોજીના આંકડાઓ તેની ચોકસાઈ અને ક્ષમતા દર્શાવે છે. CRISPR રિપીટ્સ સામાન્ય રીતે ૨૮ થી ૩૭ બેઝ પેર (base pairs) લાંબા હોય છે, જ્યારે સ્પેસર્સ (spacers) ૨૧ થી ૭૨ બેઝ પેરના હોઈ શકે છે. Cas9 પ્રોટીનનું વજન આશરે ૧૬૦ કિલોડાલ્ટન (kilodalton) હોય છે. ૨૦૧૩માં ફેંગ ઝાંગ અને જ્યોર્જ ચર્ચની ટીમે સૌપ્રથમવાર માનવ કોષોમાં આ ટેકનોલોજીનો સફળ ઉપયોગ કર્યો હતો. ૨૦૧૫માં ચીની વૈજ્ઞાનિકોએ માનવ ભ્રૂણ (embryo) પર પણ પ્રયોગો કર્યા હતા, જેણે નૈતિક ચર્ચાઓ જગાવી હતી.

આ ટેકનોલોજીનો સૌથી મોટો ફાયદો જિનેટિક રોગોની સારવારમાં છે. સ્ત્રોત ૨ મુજબ, સંશોધકોએ હિપેટાઇટિસ B (Hepatitis B) અને HIV જેવા વાયરસના ડીએનએને કાપીને ચેપ ઘટાડવામાં સફળતા મેળવી છે. આ ઉપરાંત, સિકલ સેલ એનિમિયા, કેન્સર અને અંધાપો લાવતા જનીન રોગો માટે પણ ક્લિનિકલ ટ્રાયલ્સ ચાલી રહ્યા છે. ખેતીવાડીમાં પણ CRISPR નો ઉપયોગ કરીને વધુ ઉત્પાદન આપતી અને રોગપ્રતિકારક શક્તિ ધરાવતી પાકની જાતો વિકસાવવામાં આવી રહી છે.

જોકે, CRISPR સાથે કેટલાક પડકારો પણ જોડાયેલા છે. સૌથી મોટો પડકાર 'ઓફ-ટાર્ગેટ ઇફેક્ટ્સ' (off-target effects) છે, જ્યાં Cas9 ભૂલથી ડીએનએના ખોટા ભાગને કાપી નાખે છે. આનાથી કેન્સર જેવી ગંભીર સમસ્યાઓ સર્જાઈ શકે છે. વૈજ્ઞાનિકો હવે Cas9 nickase (કેસ-૯ નિકેઝ) જેવા નવા વેરિઅન્ટ્સ વિકસાવી રહ્યા છે જે વધુ સુરક્ષિત છે. આ ઉપરાંત, માનવ ભ્રૂણમાં ફેરફાર કરવાના નૈતિક પ્રશ્નો પણ ખૂબ જ જટિલ છે, કારણ કે આવા ફેરફારો આવનારી પેઢીઓમાં પણ ઉતરી શકે છે.

ભારત જેવા દેશ માટે, જ્યાં જિનેટિક રોગોનું પ્રમાણ નોંધપાત્ર છે, CRISPR એક આશાનું કિરણ છે. તે સસ્તી અને ઝડપી ટેકનોલોજી હોવાથી ભવિષ્યમાં સામાન્ય લોકો સુધી તેની પહોંચ વધવાની શક્યતા છે. ૨૦૨૫ સુધીમાં આ ક્ષેત્રમાં નવા સંશોધનો, જેમ કે apoNmeCas9 નો ઉપયોગ, આ પ્રક્રિયાને વધુ કાર્યક્ષમ બનાવશે. અંતે, CRISPR એ માત્ર એક વૈજ્ઞાનિક સાધન નથી, પરંતુ તે કુદરતના સૌથી જૂના સંરક્ષણ તંત્રને માનવ કલ્યાણ માટે વાપરવાની એક અદભૂત કળા છે.