بررسی نقش و اهمیت بیوانفورماتیک در صنایع غذایی

1. مقدمه

تکامل بی‌سابقه‌ای در علم با پیشرفت‌های تکنولوژیکی اخیر مشاهده شده است که حجم زیادی از داده‌های "omic" را ارائه کرده است. در دسترس بودن این اطلاعات موجود در پایگاه های داده عمومی، چالشی برای متخصصان حوزه های مختلف بوده و هست. با این حال، چالش اصلی چیست؟ در زیست شناسی، چالش اصلی درک حجم عظیم داده های ساختاری و توالی هایی است که در سطوح مختلف سیستم های بیولوژیکی تولید شده اند. بنابراین در بیوانفورماتیک، توسعه ابزارهایی (آماری و محاسباتی) ضروری است که قادر به درک مکانیسم های زیربنایی سؤالات بیولوژیکی در مطالعه هستند. به طور کلی عصر "زیست شناسی جدید" همراه با تولد و توسعه علوم دیگر، مانند بیوانفورماتیک و زیست شناسی محاسباتی، که رابط یکپارچه ای از زیست شناسی مولکولی دارند، ظهور می کند. اگرچه اخیراً در نظر گرفته شده است، بیوانفورماتیک و ژنومیک به طور وابسته به یکدیگر تکامل یافته اند و تأثیر تاریخی را بر دانش موجود ارتقا داده اند.

2. تعریف بیوانفورماتیک

بیوانفورماتیک، به عنوان یک علم مرتبط با ژنتیک و ژنومیک تعریف میشود که شامل استفاده از فناوری رایانه برای جمع‌آوری، ذخیره، تجزیه و تحلیل و انتشار داده‌ها و اطلاعات بیولوژیکی، مانند DNA و توالی‌های اسید آمینه یا حاشیه‌نویسی در مورد آن توالی‌ها است. به عبارت دیگر بیوانفورماتیک به تجزیه و تحلیل توالی، ساختاری و عملکردی ژن ها و ژنوم ها و محصولات مربوط به آنها محدود می شود و اغلب زیست شناسی مولکولی محاسباتی در نظر گرفته می شود. این رشته نه تنها برای تحقیقات پایه ژنومیک و زیست شناسی مولکولی ضروری شده است، بلکه تأثیر عمده ای بر بسیاری از حوزه های بیوتکنولوژی و علوم زیست پزشکی دارد.

3. تاریخچه

بیوانفورماتیک یک دهه قبل از عملی شدن توالی یابی DNA ریشه دارد. لحظات تاریخی که می توان برای توسعه آن برجسته کرد، انتشار ساختار DNA توسط واتسون و کریک در سال 1953 علاوه بر جمع آوری داده ها و دانش بیوشیمی و ساختار پروتئین با مطالعات پاولینگ، کورن و راماچاندران در دهه 1960 است.

مارگارت او. دیهوف، پیشگام در نظام‌بندی دانش ساختار سه بعدی پروتئین (3-D) مادر بیوانفورماتیک در نظر گرفته می‌شود. این واقعیت به دلیل نقش آن در توسعه رایانه‌هایی است که قادر به تعیین توالی پپتید، برنامه‌هایی برای شناسایی و نمایش ساختارها برای استفاده در کریستالوگرافی اشعه ایکس و روش‌های محاسباتی برای مقایسه توالی پروتئین هستند، که به ما امکان می‌دهد ارتباطات تکاملی را استنباط کنیم. علاوه بر اینها، بسیاری از محققان دیگر تاکنون در توسعه بیوانفورماتیک مشارکت داشته اند، که بدون تکامل کامپیوتر امکان پذیر نبود. بنابراین، پیشرفت های قابل توجهی که امروزه انجام شده است عمدتاً به دلیل پیشرفت در قدرت محاسباتی و پروژه های ژنومی (توالی یابی، حاشیه نویسی، پردازش و تجزیه و تحلیل داده ها) است.

4. ابزارهای بیوانفورماتیک

ابزار اصلی بیوانفورماتیک برنامه های نرم افزار کامپیوتری و اینترنت است. یک فعالیت اساسی، تجزیه و تحلیل توالی DNA و پروتئین ها با استفاده از برنامه ها و پایگاه های مختلف موجود در وب جهانی است. هرکسی، از پزشکان گرفته تا بیولوژیست های مولکولی، با دسترسی به اینترنت و وب سایت های مرتبط، اکنون می تواند آزادانه ترکیب مولکول های بیولوژیکی مانند اسیدهای نوکلئیک و پروتئین ها را با استفاده از ابزارهای بیوانفورماتیک اولیه کشف کند. این بدان معنا نیست که تجزیه و تحلیل داده های ژنومی خام می تواند به راحتی توسط همه انجام شود. بیوانفورماتیک یک رشته در حال تکامل است و بیوانفورماتیکان خبره اکنون از برنامه های نرم افزاری پیچیده برای بازیابی، مرتب سازی، تجزیه و تحلیل، پیش بینی و ذخیره داده های DNA و توالی پروتئین استفاده می کنند. شرکت‌های تجاری بزرگ مانند شرکت‌های داروسازی، بیوانفورماتیکان را برای انجام و حفظ نیازهای بیوانفورماتیک در مقیاس بزرگ و پیچیده این صنایع استخدام می‌کنند. با نیاز روزافزون به ورودی مداوم کارشناسان بیوانفورماتیک، اکثر آزمایشگاه‌های زیست پزشکی ممکن است به زودی بیوانفورماتیک داخلی خود را داشته باشند. محقق منفرد، فراتر از جمع آوری و تجزیه و تحلیل اولیه داده های ساده، مطمئناً برای هر تحلیل پیچیده ای به مشاوره بیوانفورماتیک خارجی نیاز دارد.

5. وبسایت های مفید بیوانفورماتیک

به دلیل حجم زیاد داده ای که تولید شده است، سازماندهی و ذخیره سازی آن ضروری می شود. بنابراین، پایگاه‌های اطلاعاتی ایجاد شدند که تعداد زیادی از اطلاعات بیولوژیکی ذخیره و پردازش شده را تشکیل می‌دهند تا به جامعه علمی دسترسی داشته باشند. افزایش حجم داده ها با افزایش تعداد پایگاه های بیولوژیکی همراه بوده است که گردآوری، به روز رسانی و انتشار آنها توسط مجله تحقیقات اسیدهای نوکلئیک انجام شده است. بر اساس آخرین به روز رسانی منتشر شده در ژانویه 2017، 1739 پایگاه بیولوژیکی وجود دارد. منابع اطلاعاتی مورد استفاده توسط بیوانفورماتیک را می توان به توالی های DNA خام، توالی های پروتئینی، ساختارهای ماکرومولکولی، توالی یابی ژنوم و غیره تقسیم کرد. در ادامه به برخی از وبسایت های مفید بیوانفورماتیک با دسترسی رایگان می پردازیم:

1. National Center for Biotechnology Information (www.ncbi.nlm.nih.gov)  

2. National Center for Genome Resources (www.ncgr.org/)

3. Genbank (www.ncbi.nlm.nih.gov/Genbank)

4. Unigene (www.ncbi.nlm.nih.gov/UniGene)

5. European Bioinformatic Institute (www.ebi.ac.uk)

6. Ensembl (www.ensembl.org)

7. BioInform (www.bioinform.com)

8. SWISS-PROT (www.expasy.org/sprot/)

9.International Society for Computational Biology (www.iscb.org/)

6. کاربرد بیوانفورماتیک در صنایع غذایی

در چشم انداز معاصر صنایع غذایی، ادغام زیست شناسی و انفورماتیک نیرویی دگرگون کننده را به وجود آورده است. این حوزه بین رشته‌ای، که در پیوند ژنومیک، تجزیه و تحلیل داده‌ها و زیست‌شناسی مولکولی قرار دارد، به یک کاتالیزور برای نوآوری تبدیل شده است و نحوه درک، تولید و تضمین ایمنی مواد غذایی خود را متحول می‌کند. بیوانفورماتیک، در زمینه صنایع غذایی، به عنوان یک ابزار قدرتمند برای کشف کدهای ژنتیکی پیچیده موجود در مواد تشکیل دهنده وعده های غذایی ما عمل می کند. به طور کلی بیوانفورماتیک سبب ارائه محصولات ایمن تر، پایدارتر و منحصر به فرد به مصرف کنندگان می شود. در ادامه به برخی از کاربردهای مهم بیوانفورماتیک در صنعت غذا می پردازیم.

1. توالی یابی و تجزیه و تحلیل ژنوم (Genome sequencing and analysis)

بیوانفورماتیک نقش مهمی در تجزیه و تحلیل ژنوم میکروب های موجود در غذا دارد. با تعیین توالی DNA ژنومی پاتوژن های غذایی، دانشمندان می توانند سویه های خاص مسئول بیماری های ناشی از غذا را شناسایی کنند. این اطلاعات به قابلیت ردیابی، تحقیقات شیوع و توسعه اقدامات پیشگیرانه کمک می کند.

2. متاژنومیکس (Metagenomics)

متاژنومیکس مطالعه تمام DNA میکروبی موجود در یک محیط خاص است. در صنایع غذایی می توان از متاژنومیکس برای تجزیه و تحلیل جوامع میکروبی در منابع مختلف غذایی از جمله مواد خام، محیط های تولید و محصولات نهایی استفاده کرد. این به نظارت بر کیفیت و ایمنی غذا، شناسایی میکروارگانیسم‌های فاسدکننده و توسعه استراتژی‌هایی برای کنترل رشد آنها کمک می‌کند.

3. احراز هویت و اصالت سنجی مواد غذایی (Food authentication)

با افزایش نگرانی در مورد اصالت و تقلب مواد غذایی، بیوانفورماتیک ابزارهایی برای شناسایی ژنتیکی و احراز هویت محصولات غذایی فراهم می کند. به عنوان مثال، تکنیک‌های بارکد DNA را می‌توان برای تأیید منشاء مواد غذایی یا شناسایی برچسب‌گذاری نادرست گونه‌های حیوانی در محصولات گوشتی استفاده کرد.

4. مدل سازی پیش بینی (Predictive modeling)

بیوانفورماتیک می تواند برای توسعه مدل های پیش بینی رشد میکروبی و فساد مواد غذایی استفاده شود. با ترکیب داده های ژنومی با پارامترهای محیطی مانند دما، pH و میزان رطوبت، می توان رشد میکروارگانیسم های فساد و باکتری های بیماری زا را در ماتریس های غذایی خاص پیش بینی کرد. این به تنظیم شرایط ذخیره سازی مناسب، پیش بینی های ماندگاری و طراحی سیستم های موثر HACCP (تحلیل خطر و نقاط کنترل بحرانی) کمک می کند.

جهت مطالعه مقاله "بررسی کاربرد Machine learning در میکروبیولوژی پیشگو" بر روی این قسمت کلیک کنید.

5. تشخیص آلرژن (Detection of Allergen)

ابزارهای بیوانفورماتیک به شناسایی و مدیریت آلرژن های غذایی کمک می کنند.  با تجزیه و تحلیل داده های ژنتیکی و پروتئومی، می توان آلرژن های بالقوه را به طور دقیق شناسایی کرد که منجر به بهبود برچسب گذاری و ارزیابی خطر می شود.

1) شناسایی توالی پروتئین های آلرژی زا

2) آشنایی با ساختار سه بعدی پروتئین های آلرژی زا

3) ارزیابی واکنش متقابل بین آلرژن ها

4) تجزیه و تحلیل ژن های کد کننده آلرژن در منابع غذایی

5) اخیراً از تکنیک‌های مختلف بیوانفورماتیک برای توسعه تشخیص آلرژن برای پیش‌بینی حساسیت به بادام زمینی با کمک یادگیری ماشینی استفاده شده است.

6. کنترل کیفیت (Quality Control)

استفاده از ژنومیک امکان کنترل کیفیت جامع در تولید مواد غذایی را فراهم می کند. توالی یابی و تجزیه و تحلیل DNA امکان شناسایی سویه های خاص را فراهم می کند و از سازگاری و اصالت محصول اطمینان حاصل می کند.

7. دینامیک میکروبی در فرآوری مواد غذایی (Microbial dynamics in food processing)

درک دینامیک میکروبی در پردازش مواد غذایی برای اطمینان از ایمنی و کیفیت بسیار مهم است. بیوانفورماتیک به نظارت و مدیریت جوامع میکروبی کمک می کند و از آلودگی و فساد جلوگیری می کند.

8. پروفایل طعم و ترجیحات مصرف کننده (Flavor profiling and consumer preferences)

تلفیق بیوانفورماتیک و تجزیه و تحلیل حسی امکان تعیین طعم پیچیده را فراهم می کند. درک اساس ژنتیکی ترکیبات طعم دهنده به طراحی محصولات برای مطابقت با ترجیحات مصرف کننده کمک می کند و منجر به توسعه تجربیات غذایی منحصر به فرد و جذاب می شود.

7. نتیجه گیری

همانطور که ما در پیچیدگی های سیستم های بیولوژیکی پیمایش می کنیم، بیوانفورماتیک به عنوان قطب نما هدایت کننده اکتشاف ما عمل می کند.  کاربردهای آن بسیار فراتر از آزمایشگاه های تحقیقاتی است و بر زمینه هایی مانند پزشکی، کشاورزی و علوم محیطی تأثیر می گذارد.  در عصر داده‌های بزرگ، بیوانفورماتیک به عنوان چراغی از نوآوری است که اسرار رمز زندگی را آشکار می‌کند و به ما قدرت می‌دهد تا تصمیمات آگاهانه برای بهبود سلامت، تنوع زیستی و درک ما از دنیای زنده اتخاذ کنیم.