जीनोम एडिटिंगद्वारे पीक सुधारणा आणि भविष्यातील संधी

डॉ. मनोज ओक आणि डॉ रवींद्र पाटील

CRISPR-Cas9 ही जीनोम एडिटिंग तंत्रज्ञानाची प्रगत प्रणाली असून, तिचा उपयोग अनुवांशिक दोष दुरुस्त करण्यासाठी तसेच रोगप्रतिकारक्षम, उत्पादनक्षम आणि हवामान-सहनशील पिके तयार करण्यासाठी होतो. भारतात पहिल्यांदाच या तंत्रज्ञानाचा वापर करून दोन नवीन भात वाण विकसित करण्यात आले आहेत. या तंत्रज्ञानामुळे शेती, आरोग्य आणि जैवतंत्रज्ञान क्षेत्रात क्रांतिकारी बदल संभवतात, तसेच भविष्यात अनुवांशिक विकारांवरील उपचारासाठीही मोठ्या प्रमाणावर उपयोग होणार आहे.

जीनोम एडिटिंग किंवा जनुकीय सुधारणा हा अनुवांशिक अभियांत्रिकीचा एक प्रकार आहे ज्यामध्ये जिवंत पेशींमध्ये जनुकाचा काही भाग  काढून टाकला जातो किंवा सुधारित केला जातो. CRISPR (क्लस्टर्ड रेग्युलरली इंटरस्पेस्ड शॉर्ट पॅलिंड्रोमिक रिपीट) हे नाव सूक्ष्मजीवांच्या जीनोममध्ये आढळणाऱ्या लहान, अंशतः पुनरावृत्ती होणाऱ्या अद्वितीय डीएनए शृंखलेला सूचित करते. CRISPR आणि त्याच्याशी संबंधित प्रथिने (Cas-9) ही सूक्ष्मजीवांमध्ये विषाणू पासून स्वतःचे रक्षण करण्यासाठी अनुकूल प्रतिकारशक्तीची एक पद्धत आहे.

नूकतेच क्रीसपर (क्लस्टर्ड रेग्युलरली इंटरस्पेस्ड शॉर्ट पॅलिंड्रोमिक रिपीट्स)-आधारित (CRISPR-Cas9) प्रणाली चा वापर करून भारतीय शास्त्रज्ञांनी बाह्य- डीएनएपासून मुक्त, उच्च उत्पादनक्षम, ताण सहनशील आणि हवामानानुकूल भाताची वाण तयार केली आहेत. त्यामुळे, जीनोम एडिटिंग हे तंत्रज्ञान प्रकाशझोतात आले आहे.

जीनोम एडिटिंग म्हणजे काय:

ह्या तंत्रज्ञानाचे तीन मुख्य घटक आहेत- 1. CRISPR: हे जीवाणू आणि आर्कियामध्ये आढळणारे डीएनए (DNA) चे एक विशिष्ट स्वरूप आहे, जे "क्लस्टर्ड रेग्युलरली इंटरस्पेस्ड शॉर्ट पॅलिंड्रोमिक रिपीट्स" (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) म्हणून ओळखले जाते.  2. Cas9: हे एक प्रथिन (protein) आहे, जे CRISPR डीएनए शृंखलेला कापू शकते आणि "CRISPR-संबंधित प्रथिन 9" म्हणून ओळखले जाते. 3. मार्गदर्शक RNA (guideRNA):  हा एक छोटा RNA आहे, जो Cas9 प्रथिनाला डीएनएच्या विशिष्ट ठिकाणी निर्देशित करतो, जिथे डीएनए कापला किंवा सुधारला (edited) जाणे आवश्यक असते. 

CRISPR-Cas9 तंत्रज्ञानात, gRNA जनुकाच्या विशिष्ट/इच्छीत ठिकाणी पूरक असतो, जिथे Cas9 प्रथिन हे जनुक शृंखलेला तोडते. त्यानंतर, पेशीमध्ये असलेली नैसर्गिक डीएनए दुरुस्ती प्रणाली या तुटलेल्या जनुक शृंखलेला जोडण्याचे कार्य करते. ही दुरुस्ती प्रक्रिया त्रुटी-प्रवण असल्यामुळे नैसर्गिक जनुकीय शृंखलेत बदल/उत्परिवर्तन घडतात. हे उत्परिवर्तन इच्छीत ठिकाणी झाल्यास जनुकाची कार्यक्षमता बदलते. परिणामी पेशी, उति किंवा सजीवामधे इच्छीत बदल घडून येतात. या तंत्रज्ञानाचा उपयोग मानवी रोगांवर उपचार करण्यासाठी, तसेच वनस्पती आणि प्राणी यांच्यात जनुकीय सुधारण्यासाठी केला जाऊ शकतो. 

CRISPR-Cas9 जीन एडिटिंग तंत्रज्ञानाचा विकास डॉ इमॅन्युएल शार्पेंटीयर, जैव रासायनिक शास्त्रज्ञ आणि डॉ जेनिफर डुड्ना, सूक्ष्मजैवशास्त्रज्ञ यांनी केला. या अद्वितीय शोधासाठी त्यांना 2020 मध्ये रासायनिक शास्त्रातील नोबेल पुरस्कार मिळाला. जरी अनेक संशोधकांनी या क्षेत्रात योगदान दिले असले तरी, विशेषतः CRISPR-Cas9 जीनोम एडिटिंगसाठी एक व्यवहारिक आणि व्यापकपणे वापरले जाणारे तंत्रज्ञान  बनवण्यात डुड्ना आणि शार्पेंटीयर यांच्या योगदानाला जगभर मान्यता मिळाली आहे. या तंत्रज्ञानाची क्षमता पाहता, जगभरात तसेच भारतात ह्या प्रणालीचा पुरेपूर उपयोग घेण्याच्या दृष्टीने झपाट्याने पावले टाकण्यास सुरुवात झाली आहे.  वनस्पति प्रजनन आणि पर्यावरणास अनुकूल अशी पिके तयार करून अन्न सुरक्षा, औषध निर्माण, मानवी आरोग्य, आणि इतर विभागामध्ये ह्या प्रणालीचा वापर सुरू आहे.

भारतात पहिल्यांदाच जीनोम-एडिटेड पिकाचे वाण मंजूर 

अन्नाची वाढती मागणी, हवामान बदलामुळे निर्माण होणाऱ्या अडचणी, तसेच कीटकांचा प्रादुर्भाव आणि पाण्याची टंचाई यांसारख्या जैविक आणि अजैविक तणावामुळे उच्च उत्पादनक्षम, हवामान सहनशील आणि पोषणमूल्यांनी समृद्ध अशा नव्या पिकांच्या जाती विकसित करण्याची गरज निर्माण झाली आहे. या अनुषंगाने भारतात नुकतेच CRISPR-Cas9 प्रणालीचा वापर करून जीनोम-एडिटेड भाताचे दोन वाण पहिल्यांदाच मंजूर करण्यात आले आहेत. हे वाण परकीय डीएनए विरहित असून त्यांची उत्पादन क्षमता आणि अजैविक ताण सहनशीलता वाढवण्यात आली आहे.

DRR धान 100 (कमला) हा वाण हैदराबाद येथील भारतीय कृषि अनुसंधान परिषदेच्या -भारतीय भात संशोधन संस्थेने तयार केला आहे. हा वाण तयार करण्यासाठी पूर्वीच्या लोकप्रिय सांबा मसूरी या वाणातील साइटोकायनीन ऑक्सिडेस (OsCKX2) जनुकात CRISPR-Cas 9 चा वापर करून बदल केला आहे. यामुळे भाताच्या उत्पादनात 19% वाढ, 20 दिवस आधीच पक्वता आणि कमी खत व दुष्काळ परिस्थितींमध्ये अधिक उत्पादन ही उद्दीष्टे साध्य करण्यात आली आहेत. या वाणाचे  सरासरी उत्पादन 5.37 टन प्रति हेक्टर आहे, तर सांबा मसुरीचे उत्पादन 4.5 टन प्रति हेक्टर आहे. या वाणामुळे खतांची बचत आणि मिथेन उत्सर्जन कमी करण्यात मदत होईल.

पुसा डीएसटी राइस 1 हा वाण दिल्ली येथील भारतीय कृषि अनुसंधान परिषदेच्या भारतीय कृषि संशोधन संस्थेने विकसित केला आहे. भाताच्या MTU1010 या वाणातील डीएसटी (DST) या जनुकात CRISPR चा वापर करून बदल केला आहे. या बदलामुळे पुसा डीएसटी राइस 1 या वाणाची दुष्काळ आणि क्षार सहनशीलता सुधारली आहे. डीएसटी उत्परिवर्तनामुळे रुंदी जास्त आणि रंध्र घनता कमी असलेली पाने तयार झाली आणि त्यामुळे दुष्काळाच्या परिस्थितीत पानांचे पाणी टिकवून ठेवण्याची क्षमता वाढली. शेतातील चाचण्या दाखवतात की पुसा डीएसटी राइस 1 वाणाचे उत्पादन 3.51 टन प्रति हेक्टर आहे, जे MTU 1010  (3.19 टन/हे.) च्या तुलनेत 9.66% जास्त आहे. या जातीने किनारपट्टीच्या क्षारयुक्त जमिनीत 30.4% अधिक उत्पादन दाखवले आहे.

ही दोन्ही संशोधने 2023 आणि 2024 मध्ये ऑल इंडिया कोऑर्डिनेटेड रिसर्च प्रोजेक्ट ऑन राईस अंतर्गत चाचणीसाठी वापरण्यात आले. या पिकांच्या विकासामध्ये भारतीय संशोधकांचे दीर्घकालीन परिश्रम, राष्ट्रीय कृषी विज्ञान अकादमी (NAAS) कडून शास्त्रीय मदत आणि भारतीय कृषि संशोधन परिषदेचे आर्थिक सहाय्य यांचे मोलाचे योगदान आहे. भारत सरकारच्या जैव तंत्रज्ञान विभागाच्या 2022 च्या मार्गदर्शक तत्त्वांनुसार SDN1 आणि SDN2 प्रकारच्या जीन-एडिटेड पिकांना कठोर GMO अनुमोदन प्रक्रियेपासून सूट देण्यात आली, ज्यामुळे या वाणाच्या मंजुरीचा मार्ग जलद झाला. या 2022 च्या मार्गदर्शक तत्त्वांनुसार DRR धान 100 (कमला) आणि पुसा डीएसटी राइस 1 या वाणाच्या निर्मिति प्रक्रियेमध्ये SDN3 तंत्रज्ञान वापरले गेलेले नाही, म्हणून हे GM वाण नाहीत. या वाणात कोणतेही परकीय जनुक शिल्लक राहात नाहीत. तसेच भाताच्या जनुकात केलेले बदल हे नैसर्गिक प्रक्रियेद्वारे आणि अचूकपणे घडवून आणले आहेत. या वाणाची घोषणा भारताचे कृषिमंत्री श्री शिवराज सिंह चौहान यांनी नुकतीच केली आहे. ही घोषणा कृषी जैवप्रवर्तक तंत्रज्ञानात एक महत्त्वाचा टप्पा आहे आणि ती विशेषत: लहान शेतकऱ्यांना फायदेशीर ठरेल तसेच जागतिक प्रगतीला प्रेरणा देईल. या दोन जीनोम-एडिटेड वाणांचे सध्या ऑल इंडिया कोऑर्डिनेटेड रिसर्च प्रोजेक्ट ऑन राईस अंतर्गत विस्तृत क्षेत्र-परीक्षण सुरू आहेत. त्यानंतर या वाणांचे व्यावसायिक उत्पादन सुरू होईल. या तंत्रज्ञानाचा विकास देशांतर्गत झाला आहे, त्यामुळे ते शेतकऱ्यांना सार्वजनिक आणि खासगी क्षेत्राच्या प्रयत्नांद्वारे जलद वितरित केले जाऊ शकते.

हे जीनोम-एडिटेड वाणाची निर्मिति भारतीय कृषी क्षेत्रातील ऐतिहासिक पाऊल मानले जात आहे. पुढील काही वर्षांमध्ये इतर जीन-एडिटेड पीकांचे वाण उपलब्ध होण्याची अपेक्षा शास्त्राज्ञानी व्यक्त केली आहे. भारतातील अनेक संस्था आणि विद्यापीठे सध्या 10 हून अधिक जीन-एडिटेड पिकांवर संशोधन करत आहेत, ज्यामध्ये डाळी, तेलबियांचे वाण, गहू, तंबाखू, कापूस, केळी, टोमॅटो आणि चहा यांचा समावेश आहे.

जीनोम एडिटिंग आणि भविष्यातील संधी:

CRISPR-Cas9 तंत्रज्ञानाला  उज्जवल भविष्य आहे, ज्यामुळे मानवामध्ये वैयक्तिक औषधोपचार आणि जनुका मधील दोष आणि कर्करोग उपचारांमध्ये महत्त्वपूर्ण प्रगती होण्याची आशा आहे. हे तंत्रज्ञान उत्परिवर्तन (म्युटेशन्स) सुधारण्यासाठी, रोग निर्माण करणारे जनुके निकामी  करण्यासाठी आणि संभाव्यतः कर्करोगाच्या पेशी स्वतः नष्ट होण्यासाठी तपासून पहिले जात आहे. CRISPR-Cas9 जीनोम एडिटिंग द्वारे पूर्वी झालेले जनुक उत्परिवर्तन/म्युटेशन्स सुधारता येतात. म्हणूनच सिकल सेल अ‍ॅनिमिया आणि बीटा थॅलेसेमिया या सारख्या अनुवांशिक विकारावर उपचार करण्यासाठी अमेरिकन अन्न आणि औषध प्रशासन आणि युरोपियन औषध एजन्सी यांनी जीनोम एडिटिंग ला मान्यता दिली आहे.

भविष्यातील संशोधन हे जीनोम एडिटिंग साठी लागणारी जनुके वितरण पद्धती सुधारण्यावर, विविध पिकांच्या सुधारण्यावर आणि अधिक सुस्पष्ट आणि कार्यक्षम जीनोम एडिटिंग तंत्रज्ञानांच्या विकासावर लक्ष केंद्रित करेल. CRISPR-आधारित उपचारांच्या सुरक्षित आणि प्रभावी वापरासाठी मानक तयार करणे आवश्यक आहे. जीन एडिटिंगचे नैतिक विचार, विशेषत: मानवी जर्मलाइन एडिटिंगचे, काळजीपूर्वक विचार करणे आणि देखरेख करणे आवश्यक आहे. अनुवांशिक विकारावर उपचार करण्यासाठी जीनोम एडिटिंग साठी CRISPR-Cas9 ची मागणी आगामी वर्षांत मोठ्या प्रमाणात वाढण्याची अपेक्षा आहे आणि त्यामुळे अनेक अनुवांशिक विकारावर उपचार करण्यासाठी जीनोम एडिटिंगला  पुढील काही वर्षांत नियामक मान्यता मिळण्याची शक्यता आहे. म्हणूनच हे तंत्रज्ञान भविष्यात सामान्य माणसाला परवडणारे असावे.

लेखक हे अनुवांशिकी आणि पादप प्रजनन समूह, आघारकर संशोधन संस्था, पुणे 411004 येथे वैज्ञानिक म्हणून कार्यरत आहेत.