ترجمه توسط واحد R&D گروه بتا
برگرفته از مقاله خانم سارا کارول با عنوان
PROTEOMICS IN AQUACULTURE: UNLOCKING THE MOLECULAR
MACHINERY FOR SMARTER FARMING
از بخش AQUACULTURE شماره چهارم (جولای و آگوست ۲۰۲۵)
مجله INFOFISH International
Sarah Carroll
پروتئومیکس در آبزی‌پروری: باز کردن قفل ماشین مولکولی برای پرورش هوشمندانه‌تر
با بهره بردن از ماشین مولکولی ماهی، آبزی‌پروری به ابزار جدیدی برای سلامت، تغذیه و رفاه ماهی دست پیدا می‌کند. پروتئومیکس مثالی است از آنچه که در اصطلاح عامه به عنوان “مطالعه پروتئین‌ها، کارکرد و چگونگی پاسخ آنها به تغییرات در محیط‌زیست” تعریف می‌شود. علاوه بر سایر پارامترها، پروتئومیکس را می‌توان برای مشخص کردن نشانگرهای زیستی برای شناسایی بیماری و ارزیابی تأثیر فرمولاسیون خوراک و بهینه‌سازی رشد پایدار، تضمین کیفیت و ایمنی خوراک آبزیان و تقویت رشد و سودآوری بیزینس، بکار برد.
شکل ۱. نگرانی‌های اصلی در صنعت آبزی‌پروری- از هزینه خوراک تا بیوایمنی- را می‌توان با بینش عمیق‌تر بیولوژیکی به واسطه پروتئومیکس برطرف کرد.
درست مانند سلامت انسان که رمزگشایی از پروتئین به شخصی‌سازی پزشکی کمک می‌کند، صنعت آبزی‌پروری نیز به قدرت متحول‌کننده تکنولوژی‌های امیکس و در واقع پروتئومیکس پی برده که علم بررسی عمیق تمام پروتئین‌های یک جاندار است. به عنوان کسی که چند سال گذشته را به بررسی در این زمینه گذرانم می‌توانم بگویم: ما تنها به گوشه‌ای از آنچه وجود دارد راه یافته‌ایم.
آبزی‌پروری با رشدی که برای پاسخ به نیاز جهانی دارد، با چالش‌های دشواری دست به گریبان است، از رشد هزینه‌های خوراک و فشار زیست‌محیطی گرفته تا شیوع بیماری و نگرانی بابت رفاه آبزیان. اما اگر بتوانیم سلامت و عملکرد ماهی را درک کنیم، نه به لحاظ ظاهر و رشد، بلکه به لحاظ آنچه در داخل بدن آنها در سطح مولکولی اتفاق می‌افتد، چطور؟
پروتئومیکس: نه فقط برای دانشمندان
DNA را به عنوان راهنمای دستورالعمل درنظر بگیرید. پروتئین‌ها؟ آنها کارگرانی هستند که از دستورات پیروی می‌کند. پروتئومیکس، مطالعۀ تمام این پروتئین‌هاست: آنها چه هستند، چه کاری انجام می‌دهند و به تغییرات در محیط چگونه واکنش نشان می‌دهند.
در سایه پیشرفت‌های تکنولوژیک، حالا می‌توانیم هزاران پروتئین را از یک نمونه اندازه‌گیری کنیم. این کار به ما تصویر بسیار دقیقی از عملکرد بیولوژیکی ماهی می‌دهد. این امر شاید مقوله‌ای در حوزه لابراتوار به نظر برسد، اما کاربردهای آن در دنیای واقعی برای مزرعه‌داران و تولیدکنندگان خوراک ملموس، به‌موقع و پر قدرت است؛ مثلا به جای متکی بودن تنها به علایم خارجی، پروتئومیکس می‌تواند علایم اولیه تغییرات فیزیولوژیکی را مدت‌ها قبل از آشکار شدن، نشان دهد. این علم سطح جدیدی از تصمیم‌گیری را امکان‌پذیر می‌سازد که تولیدکنندگان می‌توانند زودتر و با دقت بیشتری وارد عمل شوند.
برطرف کردن مشکلات اصلی آبزی‌پروری
بیاید با آن روبرو شویم: بیماری، هزینه‌های خوراک و رفاه آبزی تنها مشکلات علمی نیستند، بلکه مشکلات بیزینسی هم محسوب می‌شوند. پروتئومیکس به ما کمک می‌کند:
- بیماری را قبل از آنکه آشکار و یا منتشر شود، تشخیص دهیم،
- خوراک را برای بازدهی بهتر و پسماند کمتر تنظیم کنیم، و
- دریابیم که استرس چگونه در سطح فیزیولوژیکی ماهی را تحت تأثیر قرار می‌دهد.
با تراکم بالاتر و پیچیدگی بیشتر سیستم‌های آبزی‌پروی، نیاز به ابزارهای دقیق هرگز به این اندازه نرسیده است. فشارهای زیست‌محیطی مانند نوسان دما، سطح اکسیژن پایین و آلودگی می‌تواند واکنش نامرئی به استرس ایجاد کند که رشد را کاهش می‌دهد، ایمنی را سرکوب می‌کند و ریسک بیماری را بالا می‌برد. پروتئومیکس این امکان را فراهم می‌کند تا پاسخهای مولکولی را ردیابی کنیم.
شناسایی بیماری قبل از نابودی
به طور سنتی، ما هنگامی به بیماری عکس‌العمل نشان می‌دهیم که علایم آن ظاهر شود، و اغلب خیلی دیر است. پروتئومیکس با شناسایی تغییرات نامحسوس پروتئین که مراحل اولیه بیماری یا التهاب را نشان می‌دهد، این رویه را کاملا تغییر می‌دهد. مثلا در سالمون آتلانتیک، ما می‌دانیم که هنگام افزایش التهاب عضله قلب و عضله اسکلتی (HSMI)، پروتئین‌هایی مانند پروتئین متصل شونده به لکتین-۳ افزایش می‌یابد. توجه زودهنگام به این سیگنال‌ها، امکان عکس‌العمل‌های هدفمندی را فراهم می‌کند که می‌تواند ذخایر، زمان و منابع را حفظ کند.
این رویکرد برای متمایز کردن بروز بیماری‌های مشابه نیز مفید است. در جایی که تشخیص سنتی ممکن است موفق نباشد، پروتئومیکس می‌تواند مشخص کند که چه اتفاقی در زیر سطح رخ می‌دهد. این علم، تصویر دقیقی از تعامل میزبان-پاتوژن و پاسخ ایمنی به دست می‌دهد که برای توسعه واکسن‌های مورد نظر ضروریست. پروتئومیکس فراتر از تشخیص در توسعه درمانی، در مشخص کردن آنتی‌ژن‌های کاندید و یا تعیین مسیرهای متابولیکی برای هدف قرار دادن مواد کاربردی خوراک نیز با ارزش است. تمام این امکانات به داشتن ابزاری پیشگیرانه با اتکاء کمتر به آنتی‌بیوتیک در صنعت کمک می‌کند.
شکل ۲. پروتئین حشراتی مانند لارو مگس سرباز سیاه، به عنوان گزینه‌ای پایدار در خوراک آبزیان پدیدار شده‌اند. پروتئومیکس به بررسی تأثیرات متابولیکی و ایمنی این پروتئین در ماهی کمک می‌کند.
تولید خوراک‌های بهتر
خوراک بخش عمده هزینه‌های تولید را تشکیل می‌دهد و تغییر در فرمولاسیون کاری علمی و هنری است. پروتئومیکس نشان می‌دهد موادی مانند پروتئین حشرات تا چه اندازه روی متابولیسم، سلامت روده و عملکرد ایمنی تأثیرگذار است و اینچنین ابهامات را از بین می‌برد. ما به واسطه تعیین پروفایل دقیق پروتئین، می‌دانیم که برخی پودرهای حشرات متابولیسم لیپید را ارتقاء می‌دهند و از تحریک ناخواسته واکنش‌های ایمنی جلوگیری می‌کنند. هنگام فرموله کردن جیره‌های نسل بعدی که باید هم مؤثر باشند و هم پایدار، این نوع اطلاعات بسیار با ارزش است.
پروتئومیکس همچنین به ما کمک می‌کند تا دسترسی زیستی و کارایی جذب مواد غذایی را درک کنیم. با مقایسه پروتئوم‌های ماهیان با عملکرد بالا و عملکرد پایین تحت جیره مشابه ، می‌توانیم پروتئین‌های مرتبط با تبدیل خوراک، هضم و یا تاب‌آوری استرس را مشخص کنیم. این امر از اصلاح نژاد گزینشی و یا مکمل‌سازی هدفمند پشتیبانی می‌کند.
پروتئومیکس فراتر از تست مواد، بینشی در ارتباط با چگونگی تأثیر تغییرات محیطی (مانند امواج گرمایی یا کیفیت نامطلوب آب) روی مصرف مواد غذایی به ما می‌دهد. این بینش می‌تواند راهنمای تنظیمات خوراک باشد که از ماهی در مقابل عوامل استرس‌زای کوتاه مدت محافظت می‌کند.
لنز جدیدی برای مشاهده رفاه ماهیان
استرس ماهی واقعی‌ست اما همیشه قابل مشاهده نیست. جمعیت زیاد، جابجایی و کیفیت نامطلوب آب همگی تأثیرات مخربی بجا می‌گذارند. پروتئومیکس می‌تواند مدت‌ها قبل از شروع رفتار غیرنرمال یا نشان دادن علایم بیرونی، از علایم استرس فیزیولوژیکی آگاه شود. در قزل‌آلا، محققان تغییرات متمایز پروتئین در کبد را بعد از استرس حاد جمعیتی، شناسایی کردند. این نشانگرهای زیستی می‌تواند روزی به مزرعه‌داران کمک کند تا رفاه ماهیان را بی‌درنگ پایش کرده و با اقدامات پیشگیرانه و نه واکنشی، شرایط را تنظیم کنند.
مقوله رفاه ماهیان دیگر یک الزام اخلاقی نیست، بلکه مسئله بهره‌وریست. استرس مزمن رشد را کاهش می‌دهد، ایمنی را سرکوب می‌کند و آسیب‌پذیری در مقابل بیماری را افزایش می‌دهد. اما تا همین اواخر، ما نشانگرهای عینی و قابل اطمینان نداشتیم تا آن را اندازه‌گیری کنیم. با پروتئومیکس می‌توانیم پروتئین‌هایی را مشخص کنیم که تحت استرس، تغییر می‌کنند و همچنین مدت زمان بازیابی آنها را دنبال کنیم. این موضوع علاوه بر پروتکل‌های پرورش، برای روش‌های حمل و نقل، مراحل برداشت و سیستم‌های درجه‌بندی که سلامت را در اولویت قرار می‌دهند، حائز اهمیت است.
بزرگنمایی: آنچه از اسمولت‌سازی [۱]در سالمون یاد گرفتیم
[۱] مرحله‌ای از زندگی آزادماهیان (مثل سالمون) است که ماهی بعد از رشد در آب شیرین، تغییرات بدنی پیدا می‌کند تا بتواند به آب شور دریا مهاجرت کند. منظور تغییرات سلول‌های آبشش (به‌ویژه سلول‌های کلریدی) است که در این دوره فعال می‌شوند و به ماهی کمک می‌کنند شوری آب دریا را تحمل کند.
در ۲۰۲۴، شرکت MariHealth Solutions با پشتیبانی Nova Sea و Helgeland Smolt مطالعه‌ای در مقیاس بزرگ روی اسمولت‌سازی- انتقال سالمون آتلانتیک از آب شیرین به آب دریا- را به اجرا درآورد. این مرحله بسیار دشوار با مرگ و میر بالا و تغییرپذیری عملکرد است، اما همچنین مورد عالی برای استفاده از پروتئومیکس محسوب می‌شود.
با جمع‌آوری نمونه‌های خون در چهار نقطه زمانی (پیش-اسمولت، اسمولت، ۳ هفته و ۳ ماه بعد از انتقال به آب دریا)، از تغییرات مولکولی که سازگاری ایجاد کرد، نقشه‌برداری شد (شکل ۳).
- در مرحله آب شیرین، برنامه‌نویسی مجدد و شدید در تولید پروتئین مشاهده شد.
- مرحله اولیه آب دریا (۳ هفته) فعال‌شدن مسیرهای استرس اسمزی و اکسیداتیو را نشان داد، اساسا ماهی یاد می‌گیرد با خانه جدید و شور خود کنار بیاید.
- حتی ۳ ماه بعد از انتقال، ماهی هنوز تعدیل سیستم ایمنی را نشان می‌دهد، یعنی سازگاری مرحله‌ای طولانی‌تر از چیزیست که ما تصور می‌کنیم.
کاربردهای این علم، فراتر از کنجکاوی آکادمیکی است. آگاهی از این خط زمانی فیزیولوژیکی نقشه راه در اختیار تولیدکنندگان قرار می‌دهد تا:
- برنامه‌ریزی بهتری را برای انتقال، طبق آمادگی بیولوژیکی ماهی انجام دهند.
- فرمولاسیون‌های خوراک را به گونه تنظیم کنند تا از سازگاری با مصرف بالای انرژی پشتیبانی کند.
- تیمارهای سفارشی را توسعه دهند که عملکرد ایمنی را در مراحل آسیب‌پذیری تقویت می‌کند.
اسمولت‌سازی: نقشه راه مولکولی
شکل ۳. اسمولت‌سازی یک سفر تدریجی و پیچیده فیزیولوژیکی است. پروتئومیکس نشان می‌دهد سالمون چگونه در هر مرحله تطبیق می‌یابد، از آماده‌سازی مولکولی تا سازگاری درازمدت دریایی.
بینش‌های به دست آمده از این مطالعه علاوه بر کمک به تحقیقات پروتئومیکی محدود در این زمینه، ماهیت اسمولت‌سازی با نیاز به انرژی بالا را به طور برجسته نشان می‌دهد. این پروسه شامل یک بار پاسخ به استرس نیست بلکه تغییر فیزیولوژیکی درازمدت است و تاب‌آوری ایمنی آن بسیار مهم است. این یافته‌ها چارچوبی برای طراحی استراتژی‌های هوشمندانه‌تر پرورش در یکی از مهم‌ترین پنجره‌های تولید سالمون ارائه می‌دهد. بعلاوه، نشانگرهای خاص پروتئین که سازگاری موفق اسمولت را از انتقال غیربهینه متمایز می‌کند، مشخص شدند. این کار می‌تواند مبنایی برای سنجش‌های پیشگویانه در آینده را ایجاد کند که به تولیدکنندگان کمک می‌کند بچ‌های ضعیف را قبل از بروز مشکل، مشخص کنند.
نگاهی رو به آینده: مرز پروتئومیکس
این صنعت به سوی عصر آبزی‌پروری دقیق حرکت می‌کند و تکنولوژی‌های اُمیکس در هسته این حرکت قرار دارند. پروتئومیکس به همراه یادگیری ماشین به ما امکان می‌دهد تا الگوها را دنبال و نتایج را با دقت بالا در تشخیص بیماری، کارایی غذایی و یا حتی برنامه‌های اصلاح نژاد پیش‌بینی کنیم. مثلا مدل‌های AI با داده‌های پروتئومیکس می‌توانند پیش‌بینی کنند که چه زمانی جمعیت به آستانه استرس نزدیک می‌شود و یا شبیه‌سازی کنند که چگونه مواد اولیه مختلف خوراک، پاسخهای ایمنی را تحت تأثیر قرار می‌دهند. ما در سایه این سطح از بینش حرکت می‌کنیم. با ارزان‌تر شدن ابزارها و قوی‌تر شدن مجموعه داده‌ها، پروتئومیکس دیگر یک مقوله لوکس نخواهد بود، بلکه به یک ضرورت تبدیل خواهند شد.
اما موانع در جای خود باقی می‌مانند. پیچیدگی آنالیزی، هزینه و نیاز به تخصص بیوانفورماتیک هنوز پذیرش آن در سطح گسترده را محدود می‌سازد. به منظور بالا بردن مقیاس، به مجموعه داده‌های گونه‌های آبزی‌پروری با دسترسی آزاد، ارزیابی نشانگرهای زیستی در شرایط میدانی و مشارکت بین صنعت، دانشگاه و فراهم‌کنندگان تکنولوژی نیاز است.
مراحل عملی برای پذیرش
بهترین بخش اینجاست: در مزرعه یا عملیات خود به طیف‌سنج جرمی نیازی ندارید. مشارکت استراتژیکی با شرکت‌هایی مانند MariHealth Solutions به تولیدکنندگان اجازه می‌دهد به واسطه نمونه‌گیری ساده و غیرکُشنده و گزارش‌دهی آسان از پروتئومیکس استفاده کنند. سنجش‌های روتین سلامت، بررسی رفاه، آزمایشات خوراک و حتی اصلاح نژاد گزینشی همگی از بینش‌های مبتنی بر پروتئومیکس بهره‌مند می‌شوند. اما این کار، ادغام لنز مولکولی در عملیات‌های روزانه است، نه جایگزینی چیزی که کار می‌کند، بلکه ارتقاء آن.
اقدام بزرگ بعدی؟ ایجاد مجموعه داده‌های پروتئین مختص گونه، تأیید نشانگرهای زیستی کلیدی در میدان و جاگذاری این داده‌ها در نرم‌افزار تصمیم‌گیری. این کار پروتئومیکس را از لابراتوار خارج کرده و در دست تولیدکنندگان قرار می‌دهد، جایی که بهترین استفاده از آن بعمل می‌آید.
چرا پروتئومیکس مهم است
درست مانند AI، عدم موفقیت در پذیرش ابزارهای بیوتکنولوژی نسل بعد مانند پروتئومیکس به معنای پرواز کردن با چشمان بسته است. در صنعتی که بیش از پیش تحت رقابت و نظارت قرار دارد، پروتئومیکس یک مقوله لوکس نیست که هرکسی از عهده آن برآید. پروتئومیکس بینشی عمیق به ما می‌دهد که برای تصمیمات آگاهانه، به‌موقع و پایدار لازم است. منظور ما این نیست که پروتئومیکس می‌تواند جای دامپزشک و یا عرضه‌کننده خوراک را بگیرد، بلکه لایه‌ای جدید و قوی از بینشی ارائه می‌دهد که می‌تواند به هر دو در انجام وظایفشان کمک کند. این علم به روش‌های مختلف، بازگشت به اصول اولیه است، یعنی درک بیولوژیکی حیوانات روبروی ما. این دانش، آوردن ظرافت و دقت به عرصه‌ایست که مدت‌ها به میانگین‌ها و فرضیات وابسته بوده است.
از آنجا که ما با فشار فزاینده‌ای برای بهبود کارایی، کاهش تأثیرات زیست‌محیطی و تضمین رفاه ماهی روبر هستیم، توانایی شنیدن آنچه ماهی به ما می‌گوید، در سطح مولکولی، مزیتی است که نباید از آن غفلت کنیم.
درباره نویسنده
Sarah Carroll
دکتر سارا کارول بنیانگذار و مدیرعامل شرکت MariHealth است:
https://www.marihealthsolutions.com/
راه حل هایی که فناوری فعلی را ایجاد کرده ناشی از برخی از تحقیقات دکترای اوست. وی که در مورد پایداری و تحقیقات در مورد تغییرات آب و هوا فعال است ، معتقد است که بیوتکنولوژی نوآورانه برای مقابله با بسیاری از موارد مهم است.
بشریت در ۲۵ سال آینده به چالش کشیده می شود و به شدت انگیزه دارد تا از طریق راه حل های ملموس ، به ویژه در آبزی پروری و امنیت غذایی جهانی تغییرات را ایجاد کند. فراتر از این ، دکتر کارول علاقه مند به حمایت از سایر استارتاپ های زن به رهبری زنان در اقتصاد آبی است و معتقد است که آنها یک نیروی محرک کم نماینده اما مهم در سنگفرش راه به سمت شیوه های پایدارتر و استفاده از منابع اقیانوس ما هستند.
تعداد بازدید: ۰
لینک کوتاه: کپی کن!
بازنشر فانوس دریا به نقل از اتحادیه تولید و تجارت آبزیان