Bioinformatika az élelmiszergyártásban és a táplálkozástudományban

Átírás

1 ÉLELMISZERIPARI BIOTECHNOLÓGIÁK Bioinformatika az élelmiszergyártásban és a táplálkozástudományban Tárgyszavak: bioinformatika; genomika; proteomika; polimorfizmus; táplálkozástudomány; élelmiszer-minőség. A bioinformatika és a genetika rövid idő alatt az élettudományok kulcsfontosságú területévé fejlődött. A genomikai ismeretek a biológiai és kémiai adatokkal együtt gyorsan használható tudásanyaggá alakítva máris bevonultak az élelmiszeripar gyakorlatába. Jelentőségük idővel fokozódni fog, és lehetővé teszi a termékekhez hozzáadott érték növelését az élelmiszerek egészségünkben és közérzetünkben játszott szerepének jobb megismerése, az alapanyagok fizikai, szerkezeti és biológiai tulajdonságainak alaposabb definiálása, és ezáltal minőségük javítása, az okszerű toxikológiai ismeretek bővülése, s ezzel biztonságosabb élelmiszerek gyártása, valamint a megnövelt személyre szabott választék útján. A bioinformatika előnyeinek teljes körű kihasználása megkívánja széles adatbázisoknak, a biológiai struktúrák és funkciók integratív modelljeinek, valamint az adattárolás, az elemzés és a vizualizálás egységes módszereinek kidolgozását. Definíciók A bioinformatika definíciószerűen számítástechnikai eszközök és eljárások kutatása, fejlesztése és alkalmazása biológiai, orvosi, magatartási, egészségügyi és táplálkozási adatok kibővített felhasználására, beleértve azokat a módszereket, amelyekben egymáshoz hagyományosan nem kapcsolható forrásokból is lehet biológiai ismertekre szert tenni, azokat tárolni, rendszerezni, elemezni és szemléltetni. A bioinformatika egyesíti ( keresztezi ) a számítástechnika, a szoftverfejlesztés, valamint a molekuláris és fiziológiai biológia tudományos és kísérleti tevékenységét (cross-disciplinary activity).

2 A genomikai adatok és az informatika kombinálása a biológusok gondolkodásának szélesebb alapot ad, megengedi, hogy egyetlen géné helyett öszszetett biológiai rendszerek valamennyi elemének működését egyidejűleg tanulmányozzák. Mikroorganizmusok és növények jelentősége Az emberi szervezettel kompatibilis mikroorganizmusok: baktériumok, moszatok, élesztőgombák számos biológiai típusú ipari élelmiszergyártó eljárás alapját képezik. Ismert genomszekvenciáik számának gyors növekedése felhasználható a sejtek mint termelő mikroüzemek javítására, továbbá új tartósító és kockázatbecslő eljárások kifejlesztésére. Végül a baktériumok és más mikroorganizmusok genomikai megismerése forradalmasíthatja a pre- és probiotikus készítmények termelését. Tekintettel egyes mikroorganizmusok óriási étrendi jelentőségére elég a kenyérre sajtra, borra gondolni a mikrobiális anyagcsere a kutatásnak több mint egy évszázadon át elsőrendű témája volt, és a szakirodalom is bőségesen foglalkozott vele. Az erre vonatkozó ismeretbővülés lehetőségeit sokszorosra növelte a genomika és a bioinformatika kombinálása. Pl. genomikai információk alapján sikerült cukorból diacetil, alanin és etanol mikrobiális termelésének metabolizmusát a folyamat javítása céljából modellezni. Baktériumgenom-szekvenciák és sztöchiometriai modellek segítségével részletesen leírhatóvá válnak a sejtfolyamatok, és összekapcsolható lesz a genotípus a fenotípussal. Új szervezetekben a jelzett gén expressziós szintje már ma is egyeztethető egy-egy adatbázisban összegyűjtött anyagcserepályákkal, de az így nyert modell dinamikus evolúciója a rendelkezésre álló információkkal nem közelíthető meg. Nincs még felderítve az átírás, a szabályozás és az enzimes reakciók többségének lefolyása sem. Az e téren várható fejlődés tökéletesíteni fogja az anyagcsere-rekonstrukciós modelleket és alkalmassá teszi őket a sejtek külső hatásokra bekövetkező dinamikus válaszainak tanulmányozására. A növényekkel foglalkozó kutatás főként az élelmiszer-alapanyagok minőségének, feldolgozhatóságának és egészségügyi biztonságának javítására irányul. A növényi táplálkozás étrendi értékét hagyományosan a szervezet vitaminokkal és nélkülözhetetlen ásványi anyagokkal való ellátásában látták, csak a genomszekvenálás során ismerték fel bizonyos növényi bioszintézisgének jelentőségét. Genotípus/fenotípus összefüggések A bioinformatika feladata olyan számítástechnikai módszerek kifejlesztése, amelyek alkalmasak a genotípus/fenotípus kapcsolattal foglalkozó kísér

3 letek tömeges adatainak feldolgozására. Ebből az új irányzatból származó ismeretek három dimenzióban bővítik ki a táplálkozás tudományát : az egészségi állapotot meghatározó genetikai mechanizmusok, az egyéni anyagcsere-változatok és az anyagcsere étrendi befolyásolásának időskálája szempontjából. Az emberek genetikai változataira és az egyéni génekben a funkcionális genomikának köszönhetően a szervezetbe jutott anyagok, élelmiszerek, gyógyszerek, toxinok molekuláinak hatásaira vonatkozó ismeretek száma exponenciálisan nő, de csak a számítástechnika teljesítőképességének hasonló növekedése által fordítható le a gyakorlat és a javuló minőségű élelmiszerellátás és mezőgazdasági termelés nyelvére. Genetikai változatok és polimorfizmus A 2001-ben alakult Single Nucleotide Polymorphisms (SNP) konzorcium feltérképezi az emberi genom polimorf ( többalakú ) régióit, amelyek a népesség egyéni fenotípusos különbségeit szabályozzák. Ezek nemcsak a genetikai betegségek felfedezéséhez adnak kulcsot, hanem nyilvánvalóan az étrend és az egészség sajátos kapcsolatai is ezekre vezethetők vissza. Már egy gén, sőt nukleotid helyzetének különbsége a szekvenciában befolyásolja az egyes tápanyagokból az egyéni mennyiségi igényt és az általuk kiváltott reakciót. A táplálkozást és az egészségi állapotot alakító polimorfizmus példájaként említhető a fenilketonuria nevű betegség. Az ebben szenvedők anyagcseréje nem tudja lebontani a fenilalanint, ezért számukra ez az aminosav méreg. A laktózintolerancia (az un. tejérzékenység, voltaképpen tejcukorérzékenység) a laktózt bontó laktázgén polimorfizmusának tulajdonítható, amely miatt egy-egy génváltozat nem működő enzimet kódol. A nagy adattömegeket feldolgozó bioinformatikától várható, hogy optimális egyéni étrendek összeállítására is módot ad majd. Számos táplálkozási felmérés statisztikusan szignifikáns eredmény nélkül marad, mivel az emberek még a legegyértelműbb hatású élelmiszer-összetevőkre sem reagálnak hasonlóan, főként több táplálkozási tényező jelenlétében. A klinikai és epidemiológiai vizsgálatot most SNP-adatokkal mint független input-változókkal lehet elemezni. A genetikai polimorfizmus és az egészség összefüggésének tudományos feltárását felgyorsítja, hogy már az interneten is hozzáférhetők SNP-adatok és a bioinformatikai csomagok. Pl. amerikai kutatók 2000-ben expresszión alapuló genetikai fizikai térképeket közöltek SNP-kről, amelyek a rák genomanatómiája projektum keretében készültek. Az enzimeket, transzportereket és szabályozó fehérjéket kódoló gének polimorfizmusa befolyásolja az esszenciális tápanyagokból, köztük aminokból, ásványi anyagokból stb. szükséges mennyiségeket. A populációk tápanyag-

4 ellátottsága tehát nemcsak az elfogyasztott táplálékból, hanem bennük a tápanyag-felszívódás, -metabolizmus és -hasznosítás egyéni különbségeitől is függ. S ezek a különbségek igen nagyok, amint erre 2001-ben USA-beli kutatók rámutattak annak kapcsán, hogy egy legújabban azonosított édességreceptor fehérje polimorfizmusát javasolták kalóriadús ételek különböző fogyasztásának alapjául. A genetikai különbségek érintik a makrotápanyagok, leginkább a zsírok és szénhidrátok alapanyagcseréjét. Kimutatták pl., hogy az apoprotein- és a lipoprotein-gének polimorfizmusa közvetlenül befolyásolja az étrendi lipidek emulgeálását (clearance), tehát részben meghatározza a zsírfogyasztásra bekövetkező egyéni reakciókat. Összefüggést találtak az apoe-gén egyes fenotípusai és szívbetegségek, sőt Alzheimer-kór előfordulásai között. A táplálkozási gének reakcióinak egyéni különbségei sikeres beavatkozásra adhatnak módot, pl. a mennyiségi és minőségi zsírdiéta megállapításakor. Élelmiszerminőség A genomika egyik, az ember számára naponta közvetlenül érzékelhető értéke az, hogy képes magasabb szintre emelni ételeink, és velük életünk minőségét is. Ezt az agrár/élelmezési lánc minden mozzanatának tudományos követése által éri el a mezőgazdasági termelés géntechnikai javításától az élelmiszergyártáson át a fogyasztói érzékszervi reakciók elemzéséig. A bioinformatika segít feltárni az ételek ízének és állagának eredetét, valamint annak alapjait, amiért ezek egyikét-másikát élvezetesnek találjuk. Segít fokozni a kedvező hatásokat, megőrizve az élelmezés biztonságát is. Íz- és szagreceptorok Az íz- és szagérzékelés biomolekuláris alapjainak feltárása az elmúlt öt év molekuláris-biológiai kutatásainak kiemelkedő eredménye volt (1. ábra). Az elmúlt hónapok nagy vívmánya pedig a megfelelő receptorok molekuláris és genetikai alapú azonosítása. Kiderült, hogy az együttesen az ételek zamatának nevezhető érzékelés több komponens kölcsönhatásának eredménye. Ezek a komponensek külön is szabályozhatók ugyan, de az élelmiszerek zamat- és konzisztencia-hatásait csak a hátterükben lévő neurofiziológiai folyamatok ismeretében lehet optimálni. Az ízek azonosított receptorai és érzékelő mechanizmusai keserű: kb. 50 G-fehérjéhez kötött receptor (GPCR), amelyeket emberi ízérzékelő sejtekben azonosítottak (2000), sós: az epitéliumban található ENaC-ioncsatorna, amely a sós íz transzdukciójának 80%-át végzi (2001), savanyú: a degenerin-1-gyel azonos ioncsatorna (1998),

5 umami : patkány ízérzékelő sejtjeiben talált mglur4 agyi glutamátreceptor egyesítő változata (2000), édes: valószínűleg azonos a Taslr3 G-fehérjéhez kötött receptorral. A fenti ízreceptorok felfedezését gyorsan követték az élelmiszerek új ízmódosító generációjának kutatására irányuló programok. A cukorpótlók alkalmasnak bizonyultak a hagyományos cukormolekulák helyettesítésére különféle készítményekben. A megismert receptorok arányának változtatása még jó ízek fokozását, rosszak elnyomását ( maszkírozását ) is lehetővé teszi. Kémiai kombinatorika és bioinformatikai eszközök alkalmazásával egyszerre molekulák és kombinációk ezreit lehet megvizsgálni és szűrni (screening). intenzív érzékelés fűszeres összehúzó umami (japán kutatóról) szélsőségek szinergizmusok folytonosság utóíz íz édes keserű sós savanyú zamat = íz + szag textúra kemény lágy rugalmas hőmérséklet hűvös meleg illat, szagok illékony anyagok 1. ábra Az élelmiszer-minőséget meghatározó tényezők Ezek a molekulaszimulációk valaha szuperszámítógépeket és heteket vettek igénybe, de az informatikai eszközök teljesítményének újabb növekedése számítási algoritmusok és szoftverek fejlesztése, az ismert szerkezetek és sikeres szimulációk adatbázisai a molekulamodellezést beépítették az élelmiszerkémia gyakorlatába. Ilyen szimulációs technika segítségével nemcsak intenzívebb ízösszetevőket lehet kifejleszteni mint élelmiszer-adalékokat, de fel lehet deríteni az ízlelés alapjait, antagonisztikus és komplementer elemeit is ben az USA-ban megjelenő Genome Research közölte az ízekéhez képest 100-szoros mennyiségű szagreceptorok génjeinek listáját. A szereplő molekulák nagy mérete és a kapcsolódások bonyolultsága ellenére a bioinformatika nehézség nélkül alkalmazza a szagérzékelésre az ízekre megismert ligandum/receptor kölcsönhatások elveit. Így különleges és nemcsak természetes élelmiszer-alapanyagokban található, hanem új színkompozíciók fejleszthetők ki, amelyek a teljes zamatérzékelést célozzák meg. De megtervezhetők olyan rendszerek is, amelyek élvezhetővé tesznek nagy tápértékű, de természetes állapotukban nem fogyasztásra ingerlő anyagokat.

6 Bioinformatika és élelmiszer-feldolgozás A bioinformatika az élelmiszeriparban legközvetlenebbül arra szolgálhat, hogy optimálja a hagyományos műveletek mennyiségi mutatóit. E műveletek rendeltetése elsősorban növelni tárolás közben az alapanyagok stabilitását és biztonságát, mégpedig tekintettel a feldolgozott anyagok szerkezetének, szerkezeti változatainak, és az eljárásokra való reagálásuknak hiányos ismeretére jelentős energiafölösleggel. A bioinformatika ezt és a többi költséges ráfordítást is ésszerű mértékre szoríthatja le. Az élelmiszer-feldolgozás jövője azonban ennél több hasznot is ígér. A hagyományos feldolgozás agresszív energiabevitelen alapul, megváltoztatja az élő szervezetek építőanyagait egyszerűbb makrostrutúrákká, hogy azok elvesztve biológiai sajátságaikat, kockázatmentes (pl. fehérjeinhibitor nélküli) stabilis, bizonyos fokig uniformizált termékké alakuljanak át. A bioinformatika által közvetített makromolekula-szerkezeti ismeretbázis mint a funkcionális genomika és a proteomika (a fehérjefunkciók tana) alapja lehetővé teszi majd a természetes élelmiszer-komponensek önátrendeződésének kiváltását, minimális energiabevitellel maximális biológiai és táplálkozási értéket létrehozva. Így az élő szervezetek bioinformatika által felfedezett szerkezet/funkció összefüggései beépülhetnek az élelmiszerek új generációjának szerkezet/funkció relációi közé, élvezetes eredménnyel (2. ábra). összetevők biológiai rendszerek élelmiszer termékek gének funkciók szerkezetek szerveződések dinamika specifikus folyamatok készítmény összetevők kölcsönhatásai kapcsolódások mikroszerkezetek eltarhatóság nem specifikus folyamatok molekuláris és anyagi alaptulajdonságok 2. ábra Élelmiszer-összetevők molekuláris tulajdonságainak jelentősége

7 A jelenlegi élelmiszergyártás a fentiek értelmében megszünteti a biomolekulák nagy osztályain belüli finom különbségeket, amelyek a bonyolult szerkezet/funkció összefüggések alapját képezik. A feldolgozás az élettani komplexitást a biológiai anyag tulajdonságainak statisztikai átlagával helyettesíti. Vannak azonban a mai élelmiszeriparnak is olyan eljárásai, amelyek hagyományosan kihasználják az élő szervezet eredeti sajátságait, pl. a sajtgyártáshoz a tej beoltását a szarvasmarha oltógyomrának enzimjével. Ilyenkor a tejben a kappa-kazein által kolloidként stabilizált kazein-micellák tömörülnek, de a szolubilizáló glükomakropeptid enzimes lehasításakor az aggregátumok ismét destabilizálódnak. Hasonló ősi példa a feldolgozás és biológiai átalakulás kombinálására a kenyér elkészítése. A gabonaőrlés mechanikai energiával elbontja az eredeti struktúrák többségét, ezt követően az élesztőgomba általi erjesztés biológiai folyamatai nyomán szén-dioxid fejlődik és fellazítja a mechanikusan visszaalakított fehérje-gélstruktúrát: megkeleszti a kenyeret. Mind a sajt, mind a kenyér előállításakor egy élő szervezet biológiai tulajdonságainak előnyös alkalmazása egyszerre növelte meg a termék biztonságát, tápértékét és javította érzékszervi jellemzőit (ízét, szagát, állagát). Emellett e két esetben a felhasznált szervezetek eredendő változatossága, amely megnehezítheti az egyszerűbb élelmiszer-feldolgozó eljárások szabványosítását, itt nem hátrány, sőt létrehozta mindkét élelmiszer különböző zamatú, illatú és textúrájú fajtáinak százait, mintegy bemutatva, hogy mit ér az élelmiszeriparnak kihasználnia a biokatalízis, átrendeződés, restruktúrálódás stb. természetes folyamatait. Valaha feltehetően a tapasztalat és a tévedés volt a bioirányítású élelmiszer-feldolgozás felfedezésének az egyetlen forrása. Ma viszont a funkcionális genomikából, a fehérjék és az anyagcsere-folyamatok tanulmányozásából táplálkozó biológiai ismeretanyag lehetővé teszi, hogy az élelmiszergyártás a biológiai anyagok összetett tulajdonságai helyett molekulák kölcsönhatásaira épüljön. (Az USA Tudományos Akadémiájának kiadványában 2001-ben jelent meg 6000 élesztőfehérje (!) lehetséges kölcsönhatásainak ismertetése.) A minőségbiztosítás új módszerei Az élelmiszerek biztonsága érdekében, amelyre a mai fogyasztónak egyre nagyobb gondja van, a gyárak a hagyományosak mellett a jelenlegi műszaki lehetőségeknek megfelelő ellenőrző módszereket is alkalmaznak. Itt a cél a nem kívánt mikroorganizmusok inaktiválása vagy gátlása az élelmiszer minimális kezelésével. Ehhez még jobban meg kell ismerni a természetes alapanyagokban élő populációk ökológiáját, környezeti tényezők, pl. stressz által kiváltott reakcióit és el kell végezni az élelmiszer-összetevők toxikológiai vizsgálatát.

8 A felsorolt feladatokhoz a genomika új technikákat kínál. Ilyen a DNSsorozatoknak (DNA-arrays, tox-chips ) a toxikogenomika által használható, 2000-ben ismertetett módszere, amely miniatűr hordozóra erősített genetikai anyagon vizsgálja a génexpressziót a tesztvegyület hatásának kitett sejtekben, a szokásos betegségmeghatározó hosszadalmas állatkísérletek helyett. Ennek a módszernek nagy értéke a hagyományos farmakológia elhagyása és egyszerűsége mellett, a nagy sűrűségű DNS-tömb által nyújtott adattömeg. Ez utóbbi azonban együtt jár a még finomítandó interpretálás nem könnyű feladatával. Adatok integrálása Az élelmiszer- és táplálkozáskutatás és -fejlesztés különféle területeken végzett tanulmányokon alapszik, amelyek végeredményként numerikus, érzékelési, szerkezeti, biológiai, kémiai és vizuálisan szemléltető adatokat szolgáltatnak. Ilyen heterogén, nem egyeztethető adattömeg kezelése nélkülözhetetlen, de a legmagasabb szellemi és műszaki igényű munka, különösen abból a évi közlésből kiiindulva, hogy ezen a komplex területen 20 hónaponként megkétszereződnek az adatok. A molekuláris biológia felfedezéseinek exponenciális szaporodása 2000 júniusában csúcsosodott ki, amikor bejelentették az emberi genom előzetes szekvenálásának befejezését. Ez mintegy re becsült fehérjét kódoló kb. 2,3 Mrd nukleotid sorrendjének meghatározását jelenti, mégis csak az első lépés a termékekhez adott értékek megjelenéséig vezető hosszú úton. Az adatfeldolgozást segítő bioinformatika egyik alkalmazása az ugyancsak rohamosan fejlődő kemometrika, vagyis az a kémiai diszciplina, amely matematikai és statisztikai módszereket, valamint megtervezett kísérleteket alkalmaz több üzemi paraméter hatásainak és kölcsönhatásainak vizsgálatára és optimálására. Az adatbőség fonákja, további veszélye az egyenetlen minőség, az információk egy részének bizonytalansága, sőt hibás adatok jelenléte, mindez rossz módszerek, tökéletlen felszerelés, téves vagy megalapozatlan következtetések sajnálatos eredményeként. A válogatás, súlyozás, kiegyenlítés a kutatók, vagy az adatrétegekben gyakorlati céllal bányászó műszakiak dolga, de vannak példák a keresést, tájékozódást segítő a táplálkozástudományban egyelőre hiányzó példák is: A Chemical Abstracts Service ScFinder 2000 rendszere a felhasználót fokozott szemléltetéssel kereszt-táblázatok és grafikonok, display-k fegyverzi fel, ami háromdimenziós megjelenítésre és folyamatos összehasonlításra ad lehetőséget (a digitális környezet felé haladva sorolja be az újdonságot a évi ismertető közlemény). A gyógyszeripar részére hatalmas kombinációs könyvtárak vannak készülőben több százezer, esetleg millió vegyület minden lehetséges

9 automatikus kombinálásának lehetőségével, és ezt követően a kijelölt biokémiai vagy klinikai rendeltetés szerinti teszteléssel és szűréssel. A kutatás vezette termékfejlesztési idő megrövidítésének, és ezzel versenyelőnyhöz jutásnak a jövőben elsőrendű feltétele lesz az adatösszevonás, valamint a kutatócsoportok és az operatív egységek együttműködésének ösztönzése. Az akadályok és hátráltató tényezők leküzdésében nagy része van a gyors személyi számítógépek bő kínálatának. Ez segít rövidre zárni a sejtszerkezeten belüli új felismeréseket az új fogyasztói igényekkel és új hatásokkal. Mindez fejlesztést igényel az alábbi részterületeken: Modellezés Meglévő vagy tervezett élelmiszerek reakcióinak nem invivo, hanem in-vitro mószerekkel (egy évi New York-i akadémiai közlemény terminusza szerint in-silico technológiával ) történő leírására alkalmas modellek kidolgozása úgy, hogy előzőleg közölt adatokat is lehessen velük ellenőrizni. Ehhez terminológiai egyeztetésre is szükség van. Egységes jegyzőkönyvezés Az adatintegrálás és -tömörítés megkívánja a kísérleti jegyzőkönyvek egységesen szabályozott elkészítését. Ez a különböző technikájú kísérletek összehasonlíthatósága mellett növelné a reprodukálhatóságot a vizsgálatok érzékenységét. Adattárolás és -karbantartás Heterogén adatokból álló és különböző szerkezetű adatbázisok a zavartalan együttes használhatóságáról, interoperábilitásáról, valamint az időszerűség által megkívánt, ugyancsak zökkenésmentes bővítéséről gondoskodni is az elkerülhetetlen nehéz feladatok közé tartozik. Az adatok szemléltetése Az emberi agy nagy részét köti le vizuális adatok feldolgozása, a vizualizálásnak így nagy szerepe van a felismerésben, amit az adat-előkészítésben ki kell használni. Paradigma-eltolódás Az élelmiszer- és táplálkozástudományban holisztikus szemléletre kell törekedni, a néhány változó szerepének vertikális tanulmányozásától elmozdulva sok változó egyidejű horizontális tanulmányozása felé. (Dr. Boros Tiborné) Desiere, F., German, B. stb.: Bioinformatics and data knowledge: the new frontiers for nutrition and foods. = Trends in Food Science and Technology, 12. k. 7. sz p Sachidanandam, R.; Weisman, D. stb.: The International SNP Map Working Group a map of human genome sequence variation containing 1,42 million single nucleotid polymorphism. = Nature, 409. k sz p Matsunami, H.; Montmayeur, J. P.; Buck, L. B.: A family of candidate taste receptors in human and mouse. = Nature, 404. k sz p