مصرف پروتئین‌های حیوانی به طور کلی و مصرف پروتئین‌های لبنی به طور خاص، با مسائل مربوط به رفاه حیوانات و حفظ تعادل و استمرار به صورت مداوم، به‌طوری که نیازهای نسل‌های حاضر برآورده شده و نسل‌های آینده امکان برآورده شدن نیازهای خود را داشته باشند، مرتبط است. بنابراین سنتز پروتئین‌های نوترکیب شیر بسیار مورد توجه واقع شده است. با نگاهی به وضعیت فعلی، مراحل تولید لبنیات نوترکیب از نظر فنی امکان پذیر است، اما اینکه آیا می‌توان این فرآیند را با هزینه کم و به صورت سازگار با محیط زیست اجرا کرد، باید در سال های آینده مشخص شود.
محصولات غذایی با منبع حیوانی نقش مهمی در تعیین رژیم‌های غذایی در سراسر جهان دارند و به طور متوسط ١٧٪ انرژی و ٣٥٪ پروتئین رژیم غذایی انسان را تامین می‌کنند. مصرف محصولات غذایی تولید شده از منابع حیوانی یک مسئله مهم در پایداری اکوسیستم است، زیرا دام به تنهایی مسئول ١٨٪ از انتشار گازهای گلخانه‌ای جهانی است که تولید شیر بخش مهمی از آن می‌باشد. بنابراین، متخصصان صنایع غذایی در حال تحقیق و پیدا کردن موارد جایگزین برای محصولات لبنی هستند، یکی از این ابتکارات، محصولات گیاهی است. با این حال، این محصولات جایگزین کاملی برای محصولات لبنی نیستند، زیرا لبنیات منبع پروتئین با کیفیت بالا و بسیاری از ریز مغذی‌ها هستند. علاوه بر این، عملکرد فیزیکوشیمیایی (مانند حلالیت، توانایی ژل شدن، و خواص امولسیون کنندگی) پروتئین‌های گیاهی اغلب کم‌تر از پروتئین‌های شیر است. به دلیل وجود این مشکلات، متخصصان سنتز پروتئین‌های طبیعی شیر را پیشنهاد کردند. در این مقاله به بررسی خواص پروتئین‌های شیر، وضعیت فعلی در سنتز پروتئین نوترکیب شیر، و همچنین چالش‌های تحقیقاتی آینده قبل از تولید محصولات لبنی بدون حیوان پرداخته‌ایم.
ترکیب و عملکرد پروتئین‌های شیر
شیر گاو حاوی صدها پروتئین مختلف است که از مهم‌ترین و فراوان‌ترین آنها می‌توان به کازئین و whey اشاره کرد. دو پروتئین whey (α-لاکتالبومین و β-لاکتوگلوبولین) تقریباً ١٥٪ از کل پروتئین شیر را تشکیل می‌دهند. هر دوی این پروتئین‌ها کروی، محلول و حساس به عملیات حرارتی هستند و نقش مهمی در تامین اسیدهای آمینه ضروری در انسان دارند. تقریباً ٨٠٪ از کل محتوای پروتئین شیر گاو از چهار کازئین (αs1-casein، αs2-casein، β-casein و κ-casein) تشکیل شده است. این چهار کازئین به ساختارهای پروتئینی بزرگتر به نام میسل کازئین اضافه می‌شوند که شامل هزاران مولکول کازئین به همراه نمک‌های کلسیم به شکل نانوکلسترهای فسفات کلسیم است.
شکل 1.
ساختار داخلی میسل کازئین شامل یک ماتریس از همه کازئین‌ها با نانوکلسترهای فسفات کلسیم است. فسفات کلسیم نقش مهمی در پیوستگی ساختاری میسل کازئین ایفا می‌کند. سطح میسل کازئین شامل لایه‌ای از موهای κ-casein است که استحکام میسل‌ها در شیر را فراهم می‌کند. در طول فرآیند تولید پنیر، لایه مویی κ-casein به صورت پروتئولیتیک شکافته می‌شود که باعث ناپایداری میسل‌ها و بنابراین تجمع آنها به صورت یک شبکه پروتئینی می‌شود. برای تولید محصولات لبنی بدون دخالت حیوانات، لازم است کازئین‌ها پس از سنتز ژنتیکی، تغییراتی را تجربه کنند. این تغییرات در مرحله بعد از تولید زنجیره پپتیدی، در پروتئین نهایی ایجاد می‌شوند و می‌توانند شامل افزودن گروه‌های شیمیایی خاص، ایجاد اتصالات جدید، یا حتی تغییر در تعداد و نوع اسیدهای‌آمینه باشند.
تولید پروتئین های نوترکیب شیر
پروتئین‌های نوترکیب محصولاتی از فناوری DNA نوترکیب هستند که شامل قرار دادن یک ژن پروتئین اصلاح شده در سلول ارگانیسم میزبان است. این فناوری در حال حاضر به طور گسترده برای بسیاری از پروتئین‌های نوترکیب به منظور اهداف پزشکی مثل، ساخت پروتئین‌ها و هورمون‌های مشابه انسان، پردازش مواد غذایی و تولید آنزیم‌های خاص استفاده می‌شود. با این حال، از این روش برای تولید پروتئین‌های حجیم تشکیل دهنده محصولات غذایی، استفاده نشده است. با کاهش هزینه و بهبود فناوری، انتظار می‌رود تولید انبوه پروتئین‌های اصلی غذایی، مانند پروتئین‌های شیر، امکان‌پذیر شود. با توجه به اینکه قیمت فعلی کازئین که در حدود €١٠ به ازای هر کیلوگرم می‌باشد، انتظار می‌رود که سنتز پروتئین‌های نوترکیب از نظر اقتصادی امکان پذیر شود. این امکان‌پذیری اقتصادی توسط مطالعات مدل‌سازی در خصوص تولید قارچ‌های آنزیمی نوترکیب و تولید باکتریایی پروتئین whey ،α-لاکتالبومین تأیید شده است.
انتخاب میکروارگانیسم مناسب برای تولید پروتئین، تأثیرات مهمی بر بازده، خلوص و اصلاحات پس از ترجمه پروتئین تولیدی دارد. این میکروارگانیسم‌ها می‌توانند مخمر، قارچ رشته‌ای و باکتری E.coli باشند. برای تولید پروتئین‌های شیر، تمام این جوانب اهمیت دارند، زیرا یک بازده کم و یا خلوص پایین می‌تواند تولید انبوه پروتئین‌های غذایی را غیراقتصادی کند. تحقیقات پیشین در زمینه سنتز بازترکیبی پروتئین‌های شیر اغلب براساس باکتری E.coli انجام شده است. اصلاح باکتری‌ها به طور کلی ارزان و آسان است، اما منجر به بازده نسبتاً پایین و پیچیدگی در خالص سازی می‌شود. سنتز پروتئین نوترکیب باکتری‌ها به طور کلی منجر به تولید پروتئین‌هایی می‌شود که اصطلاحاً پس از ترجمه اصلاح نمی‌شوند.
سنتز پروتئین‌های شیر مبتنی بر مخمر با ساکارومایسس سرویزیه انجام شده است. اگرچه سنتز مبتنی بر مخمر به طور کلی منجر به بازدهی بالاتر در مقایسه با تولید پروتئین باکتریایی می‌شود اما اغلب پس از ترجمه تغییرات اضافی رخ می‌دهد که در پروتئین‌های شیر معمولی اتفاق نمی‌افتد، مانند مانوزیلاسیون گسترده β-لاکتوگلوبولین.
سنتز پروتئین‌های شیر توسط قارچ‌های رشته‌ای به ندرت گزارش شده است که تنها نمونه آن تولید لاکتوفرین است. به طور کلی، سنتز قارچی معمولاً منجر به بالاترین بازده می‌شود، اگرچه این به شدت به پروتئین مورد نظر برای بیان وابسته است. یکی از معایب این روش، سنتز همزمان پروتئازها با پروتئین‌ها است که می‌تواند منجر به آسیب پروتئولیتیک به پروتئین‌های تولید شده شود. با دانستن اینکه کازئین‌ها به شکاف پروتئولیتیک بسیار حساس هستند، این مسئله یک چالش احتمالی در استفاده از سنتز قارچ برای پروتئین‌های شیر محسوب می‌شود. با این حال، سنتز قارچی اقتصادی‌ترین راه ممکن برای تولید پروتئین است، چون محصولی با بازده بالا و هزینه کم تولید می‌کند.
برای سنتز پروتئین شیر نوترکیب، مستقل از گونه‌های میکروبی مورد استفاده، هر دو ژن پروتئین شیر انسان و گاو به عنوان الگوی DNA استفاده شده است. استفاده از ژن‌های انسانی ممکن است امکان سنتز پروتئین‌ها را برای شیر خشک نوزاد فراهم کند، زیرا این پروتئین‌ها ممکن است منجر به تولید محصولی شود که بیشتر شبیه شیر انسان است. استفاده از ژن‌های گاو به‌عنوان یک الگوی DNA، امکان تولید محصولات لبنی بدون حیوان را فراهم می‌کند. همچنین امکان انتخاب گونه‌های ژنتیکی خاص پروتئین‌های شیر را فراهم می‌کند، که ممکن است برای تهیه پنیر مفید باشد.
سپس الگوی DNA برای پروتئین شیر انتخابی باید در یک ناقل اختصاصی میزبان گنجانده شود. این ناقل از یک پروموتور که می تواند القایی یا سازنده باشد، یک پپتید سیگنال (یک توالی کوتاه از اسیدهای آمینه) که یا اختصاصی میزبان یا بخشی از ژن پروتئین شیر است، سپس DNA کدکننده خود پروتئین شیر و در نهایت یک عنصر پایانی را شامل می‌شود. ناقلی که اغلب مورد استفاده قرار می‌گیرد، پلاسمید است که ممکن است خودتکثیر شونده یا در مکان مورد نظر در ژنوم میزبان جای گیرد، که معمولا گزینه آخر به عنوان گزینه ترجیحی در نظر گرفته می‌شود.
پس از اینکه پروتئین‌های شیر با استفاده از سیستم‌های نوترکیب تولید شدند، باید با خلوص کافی جدا شوند تا بتوان محصولات لبنی تولید کرد. اما در حال حاضر مشخص نیست که خلوص پروتئین‌های جدا شده باید چقدر باشد تا تعادل مناسب بین هزینه و عملکرد پروتئین‌های شیر حاصل شود.
تولید محصولات لبنی براساس پروتئین‌های نوترکیب شیر
همانطور که در بخش ترکیب و عملکرد پروتئین‌های شیر توضیح داده شد، ساختار میسل کازئین برای بسیاری از محصولات لبنی حائز اهمیت است. در ابتدا، باید کازئین را به صورت تکی یا مخلوط جداسازی کنیم، پس از آن فرآیند تشکیل میسل کازئین انجام می‌شود. چندین روش برای تولید میسل‌های کازئینی مونتاژ شده از کازئین‌های حل‌شده وجود دارد که وجه اشتراک همه آنها اضافه کردن کلسیم و فسفات، اغلب در ترکیب با یون‌های دیگر، به محلول کازئین است. کنترل میزان و غلظت دقیق املاح افزودنی اهمیت زیادی دارد، زیرا علاوه بر کلسیم و فسفات، ممکن است منیزیم و سیترات نیز به محلول اضافه شود.
مطالعه قبلی نشان داد که فقط استفاده از β-casein (انسانی) و κ-casein (گاو) برای تولید میسل‌های کازئینی مونتاژ شده کافی است و وجود هر چهار کازئین ضرورتی ندارد.
چشم‌انداز تحقیقات آینده
همانطور که در این بررسی ذکر شد، سنتز ترکیبات پروتئین نوترکیب، تشکیل میسل‌های کازئین و تولید محصولات لبنی به صورت جداگانه امکان‌پذیر بوده‌اند. اما برای تولید این محصولات لبنی به صورت صنعتی، این عناصر باید باهم ترکیب شوند. به عنوان مثال، هرچند که سنتز میسل‌های کازئین نوترکیب امکان‌پذیر است، اما توانایی ساخت این میسل‌ها از کازئین بازترکیبی تا به حال انجام نشده. شکل ۲ مراحل مختلف فرآیند تولید و همچنین چالش‌های تحقیقاتی که قبل از تولید محصولات لبنی بدون حیوان باید حل شوند، را نشان می‌دهد.
شکل 2.
علاوه بر مطالعه پیوند میان تمام مراحل از سنتز پروتئین شیر تا محصولات لبنی، می‌توان چندین موضوع خاص برای دستیابی به بهره‌وری بهینه در تولید محصولات لبنی بدون حیوان مطالعه کرد:
١) چگونه می‌توان اصلاحات پس از ترجمه پروتئین‌های شیر را برای داشتن عملکرد مورد نیاز پروتئین‌های شیر نوترکیب بهینه کرد؟
۲) تأثیر کلی تولید محصولات لبنی بدون حیوان بر محیط زیست چیست و چگونه این فرآیند با محصولات شیر معمولی گاو مقایسه می‌شود؟
در نهایت، تولید محصولات لبنی بدون حیوان به قوانین و پذیرش جامعه بستگی دارد. پروتئین‌های شیر تولید شده با استفاده از سنتز نوترکیب به عنوان غذای نوین در نظر گرفته می‌شوند، بنابراین نیاز به تایید و نظارت خاص دارند. به علاوه، پذیرش جامعه از این محصولات هم مسئله‌ای نامعلوم است، مردم چگونه به این نوع محصولات نگاه خواهند کرد؟
با توجه به وضعیت کنونی فناوری، مراحل جداگانه تولید لبنیات بدون حیوان با استفاده از سنتز نوترکیب از نظر فنی امکان پذیر است، اما آیا می توان این کار را با هزینه کم و کمترین میزان رد پای زیست محیطی انجام داد به حدی که محصول نهایی از نظر اقتصادی و زیست‌محیطی پایدار باشد؟ باید صبر کرد و دید که در آینده چه اتفاقی خواهد افتاد!
منبع:
