بیوتکنولوژی دریایی

زندگی از دریا شروع شد. سطح زمین بیشتر اقیانوس است که قدیمی ترین و متنوع ترین اشکال حیات را دارد. بنابراین، محیط زیست دریایی گنجینه متنوع بیولوژیکی و شیمیایی در میان انواع اکوسیستم هاست. محیط دریایی دارای طیف گسترده ای از موجودات زنده، از باکتری ها تا یوکاریوت ها و همچنین ترکیبات شیمیایی منحصر به فردی است که برای پزشکی، تغذیه، آرایشی و بهداشتی، کشاورزی و سایر صنایع اهمیت زیادی دارند. کاربردهای بیوتکنولوژیکی را می توان برای بهره برداری از پتانسیل محیط دریایی به نفع انسان و پیشرفت بیولوژیکی اساسی مورد استفاده قرار داد. بیوتکنولوژی دریایی در واقع بررسی موجودات دریایی از طریق بیوتکنولوژی، زیست‌شناسی مولکولی- سلولی و بیوانفورماتیک است. در اینجا با کاربردهای بیوتکنولوژی دریایی یا آبی آشنا شوید.
 

آبزی پروری و شیلات

بیوتکنولوژی این پتانسیل را دارد که راه حل هایی را برای مشکلات تولید مثل در حوزه آبزی پروری ارائه دهد. چندین ماهی وقتی در شرایط اسارت قرار می گیرند خود به خود تخم ریزی نمی کنند. در گذشته، گنادوتروپین ماهی (گروهی از هورمون‌هایی که تولید مثل را تحریک می‌کنند)، در مقادیر کم با استخراج و خالص‌سازی از فرآورده‌های خام هزاران غده هیپوفیز تولید می‌شد. در حال حاضر، مقادیر زیادی گنادوتروپین با خالص‌سازی بالا را می‌توان در آزمایشگاه از طریق فناوری DNA نوترکیب تولید نمود. هرمافرودیسم یک پدیده رایج در بسیاری از ماهیان صخره مرجانی است. برخی از گونه ها در مراحل اولیه چرخه زندگی خود نر هستند و در مراحل بعدی به ماده تبدیل می شوند. حضور هر دو جنس در مولدین همیشه ضروری است. از طریق مهندسی ژنتیک می توان جنسیت گونه را با رسیدن به بلوغ تنظیم کرد.
 
روغن ماهی از نظر اقتصادی در تولید خوراک ماهی و همچنین برای سلامت انسان مهم است. تقاضا برای روغن ماهی در کنار گسترش صنعت آبزی پروری به رشد خود ادامه داد زیرا منبع اصلی چربی در آبزیان است. صنعت آبزی پروری تقریباً 90 درصد از تولید جهانی روغن ماهی را به خود اختصاص می دهد. با این تقاضای رو به رشد، وجود منابع دیگری از روغن ماهی ضروری است. دانشمندان تحقیقاتی گیاهان دانه روغنی کاملینا را تولید کردند که از نظر ژنتیکی برای تولید روغن ماهی امگا 3 در دانه‌های خود مهندسی شده بودند. روغن ماهی امگا 3 به عنوان اجزای مفید تغذیه انسان شناخته شده است. کاملینای تراریخته پتانسیل تامین روغن ماهی سالم برای رژیم غذایی انسان را دارد.
 
صنعت میگو به دلیل چندین پاتوژن ویروسی مانند ویروس سندرم لکه سفید (WSSV)، ویروس سر زرد، ویروس سندرم تاورا، پاروویروس کبدی پانکراس و باکولوویروس ها با خطر تلفات مواجه است. دانشمندان ابداع درمان بیماری‌های ویروسی در سخت‌پوستان مانند میگو را دشوار می‌دانند، زیرا آن ها دارای سیستم پاسخ ایمنی تطبیقی واقعی نیستند و با مکانیسم‌های ایمنی ذاتی غیر اختصاصی به بیماری‌ها واکنش نشان می‌دهند. شناسایی ژن‌های دخیل در پاسخ ایمنی در میگوها برای درک تعاملات میزبان و پاتوژن حیاتی است. ژن‌های میگوی ببر غول‌پیکر (Penaeus monodon) و میگوی ببر ژاپنی (P. japonicus) پس از شبیه‌سازی و تنظیم مثبت در میگوهای آلوده به WSSV، فعالیت ضد ویروسی از خود نشان دادند. به غیر از عوامل ضد ویروسی، RNA  مداخله گر (RNAi) یا خاموش کردن ژن نیز برای کنترل عفونت ویروسی استفاده شده است. یک RNA تداخلی کوتاه (vp28-siRNA) که یک ژن پروتئین پوششی اصلی WSSV را هدف قرار می دهد برای القای خاموشی ژن در P. japonicus استفاده شد. این موضوع منجر به کاهش قابل توجه تولید DNA ویروسی و کاهش میزان مرگ و میر شد. علاوه بر این، پس از سه تزریق vp28-siRNA، ویروس از میگوهای آلوده به WSSV پاک شد.
 

 

دارو

بیش از 2000 سال پیش، عصاره موجودات دریایی به عنوان دارو استفاده می شد. در قرن 19 و 20، روغن کبد ماهی یکی از مکمل های غذایی معروف است. تنها در اواسط قرن بیستم بود که دانشمندان شروع به پیمایش سیستماتیک در اقیانوس ها برای دریافت دارو کردند. هنگامی که دانشمندان در حال مطالعه مکانیسم های دفاعی موجودات دریایی بودند، سلاح های شیمیایی دفاعی وسیع موجودات را کشف کردند. در دهه 1950، راس نیگرلی از انجمن جانورشناسی نیویورک، سمی به نام هولوتورین را از خیار دریایی باهامیا (Actynopyga agassizi) استخراج کرد که فعالیت ضد توموری را در موش نشان داد. هولوتورین تجاری نشد اما تعداد ترکیبات فعال زیستی بالقوه اقیانوس افزایش می یابد و هر سال تعداد بیشتری کشف می شود. دانشمندان از بیوتکنولوژی برای ساختن کپی ترکیبات دریایی در آزمایشگاه استفاده کرده اند تا مجبور نباشند دائماً از موجودات دریایی برداشت شوند. برخی از آن ها تجاری شده اند، در حالیکه برخی دیگر تحت آزمایش های بالینی یا پیش بالینی هستند. سایر داروهای مشتق شده از دریا هنوز در مرحله آزمایشات بالینی هستند که شامل ترکیبات سیتوتوکسیک بریواستاتین 1 و مشتقات دولاستاتین سوبلیدوتین و سنتادوتین است. جدای از این داروها، محصولات بیشتری در خط لوله بالینی هستند. تعداد ترکیبات دریایی گزارش شده هر ساله در حال افزایش است و هر ساله بیش از 1000 ترکیب جدید با قدرت و عملکردهای بیولوژیکی متفاوت به خط تولید اضافه می شود.
 

 

محیط

تخریب آلاینده های زیست محیطی یک نگرانی مهم در سطح جهانی است. مطالعات نشان داده اند که میکروارگانیسم های دریایی مسیرهای تجزیه زیستی منحصر به فردی را برای تجزیه چندین آلاینده آلی نشان می دهند. سلول های بی حرکت باکتری Pseudomonas chlororaphis پیووردین تولید می کنند که تجزیه ترکیبات آلی سمی در آب دریا را تسریع می کند. مطالعات دیگر همچنین نشان داده اند که برخی از موجودات دریایی مواد شیمیایی سازگار با محیط زیست مانند پلیمرهای زیستی و بیوسورفکتانت ها تولید می کنند که می توانند در مدیریت و تصفیه زباله های محیطی استفاده شوند.

سوخت زیستی

سوخت‌های زیستی از ریزجلبک‌ها، یکی از راه‌های مقرون‌به‌صرفه برای کاهش مصرف سوخت‌های فسیلی است. ریزجلبک ها به دلیل محتوای بالای روغن، منابع بهتری برای سوخت های زیستی نسبت به گیاهان عالی به دلیل سهولت تکثیر (می توان در آب دریا یا آب شور کشت کرد، بنابراین با منابع کشاورزی معمولی رقابت نمی کند) در نظر گرفته می شوند. زیست توده باقیمانده پس از استخراج روغن می تواند به عنوان خوراک یا کود یا تخمیر برای تولید اتانول یا متان استفاده شود. ترکیب بیوشیمیایی را می توان با اصلاح شرایط رشد کنترل کرد. ریزجلبک‌هایی با بهره‌وری زیست توده و محتوای لیپید برتر عبارتند از کلرلا، تتراسلمیس، چائتوسروس، ایزوکریزیس، اسکلتونما، و نانوکلروپسیس. بیوتکنولوژی دریایی یکی از جوانترین رویکردهای بیوتکنولوژی است. اکوسیستم دریایی دارای تنوع زیستی غنی است و خود ارگانیسم حاوی ترکیبات بیوشیمیایی حیاتی با طیف وسیعی از کاربردها در پزشکی، محیط زیست و سایر صنایع است. بنابراین، تحقیق در این زمینه برای استفاده از پتانسیل گسترده محیط زیست دریایی برای بهبود زندگی انسان به هر طریق ممکن حیاتی است.
 

زیست پالایی، احیای اکوسیستم، کاهش تغییرات آب و هوا

بیوتکنولوژی دریایی طیف وسیعی از کاربردهای زیست پالایی را ارائه می دهد (یا با استفاده از سلول های کامل یا متابولیت های آن ها). بی مهرگان دریایی در مدیریت و کنترل ضد رسوب، به ویژه اسفنج ها استفاده شده اند. باکتری های فیلا پروتئوباکتری ها، اکتینوباکتری ها، سیانوباکتری ها، باکتریوئیدت ها و فیرمیکوت ها را می توان به عنوان یک فرآیند جایگزین برای تخریب آلاینده های معطر مانند هیدروکربن های آروماتیک چند حلقه ای استفاده کرد. این جوامع باکتریایی دارای پتانسیل تجزیه بیولوژیکی زیادی برای انواع مختلف هیدروکربن ها، مواد معطر و کربوهیدرات ها در رسوبات آلوده به نفت و نشت نفت هستند. گونه‌های باکتری تجزیه‌کننده هیدروکربن بر روی زباله‌های پلاستیکی دریایی با استفاده از HTS کشف شده‌اند که از تئوری تخریب پلاستیک بالقوه در اقیانوس توسط گونه‌های میکروبی حمایت می‌کند. میکروارگانیسم ها آنزیم هایی را سنتز می کنند که می توانند پلاستیک ها را تجزیه کنند مانند لیپازها، آلکان هیدروکسیلازها، لاکازها و غیره. قارچ‌های دریایی عوامل بالقوه زیست پالایی را نشان می‌دهند: قارچ‌هایی که آنزیم‌های تجزیه‌کننده لیگنین تولید می‌کنند در رنگ‌زدایی پساب‌های بسیار رنگی از کاغذ، کارخانه‌های خمیر کاغذ، نساجی و صنایع رنگ‌سازی استفاده می‌شوند،آن ها همچنین دارای روغن قوی هستند. مزارع جلبک دریایی زیستگاه و سرپناهی برای انواع موجودات دریایی فراهم می کند. به دلیل کارایی بالای سم زدایی، هزینه و تقاضای کم برای مواد مغذی، جلبک های دریایی و علف های دریایی می توانند به عنوان جاذب زیستی برای حذف آلاینده ها از فاضلاب استفاده شوند. ریزجلبک ها همچنین می توانند فلزات سنگین را به صورت زیستی انباشته کنند. بنابراین، آن ها در تصفیه زیستی پساب های صنایع با فلزات سنگین سمی استفاده می شوند. در میان آن ها، کلرلا، Scenedesmus، Tetraselmis و Arthrospira گزارش شده اند که فلزات سنگین سمی را با ظرفیت جذب بالا جدا می کنند. ریزجلبک ها فلزات سنگین را از طریق مکانیسم های جذب حذف می کنند. جذب فلزات سنگین یک فرآیند دو مرحله ای است. اولین مرحله جذب سطحی سریع توسط پلی ساکاریدهای دیواره سلولی و سایر گروه های عاملی مانند کربوکسیل، هیدروکسیل، سولفات و سایر گروه های باردار است که از نظر میل ترکیبی و ویژگی برای ترکیبات آلی و معدنی مختلف متفاوت هستند. مرحله دوم یک فرآیند آهسته است که برای جذب فلزات سنگین به داخل سلول به انرژی نیاز دارد. مانند سایر ارگانیسم ها، ریزجلبک ها پپتیدهای متصل به فلز، یعنی متالوتیونین غنی از سیستئین را سنتز می کنند که اثرات سمی ناشی از فلزات سنگین را خنثی می کند. علاوه بر جذب بیولوژیکی فلزات سنگین، ریزجلبک ها دارای پتانسیل زیست پالایی آلاینده های نوظهور، عمدتاً مواد شیمیایی آلی مصنوعی هستند. آلاینده‌های نوظهور معمولاً به چندین دسته کلی تقسیم می‌شوند، از جمله داروها، محصولات مراقبت شخصی، شیرین‌کننده‌های مصنوعی، آفت‌کش‌ها و نرم‌کننده‌ها.
 

لوازم آرایشی و بهداشتی

ترکیبات دریایی را می توان در محصولات مراقبت از پوست و آرایش ترکیب کرد. مزایای دارو مانند آن ها باعث تولید هیبریدهای دارویی می شود که در آن مواد زیست فعال به لوازم آرایشی موضعی یا خوراکی اضافه می شود تا یک ماده آرایشی با خواص افزایش یافته تولید شود. نمونه‌هایی از محصولات موجود در بازار وجود دارد که بیشتر از میکروارگانیسم‌ها (باکتری‌ها، ریزجلبک‌ها، قارچ‌ها) و همچنین از جلبک‌های بزرگ، ماهی و مرجان‌ها به دست می‌آیند. نمونه‌هایی از مواد مورد علاقه برای کاربردهای آرایشی عبارتند از (1) اسیدهای آمینه شبه مایکوسپورین (MAAs) که توسط ارگانیسم‌های دریایی تحت استرس UV بالا (سیانوباکتری‌ها، میکرو جلبک‌ها و ماکرو جلبک‌ها) تولید می‌شوند. این ترکیبات اشعه ماوراء بنفش را بین 310 تا 360 نانومتر جذب می کنند و به عنوان عوامل محافظ نور و ضد پیری در نظر گرفته می شوند. (2) اگزوپلی ساکاریدهای تولید شده توسط چندین میکروارگانیسم که رطوبت پوست را افزایش می دهند. (3) ترکیبات کاروتنوئیدی و پلی فنولی که می توانند به عنوان آنتی اکسیدان عمل کنند و همچنین دارای خواص ضد التهابی هستند و (4) آنزیم ها و پپتیدهایی که ممکن است با محافظت از ذخایر کلاژن به عنوان عوامل ضد پیری عمل کنند. پتاسیم آلژینات و فوکویدان از جلبک های قهوه ای، سیلیکات آلومینیوم از گل دریا، کیتین از سخت پوستان، و کاراگینان از جلبک های قرمز نمونه هایی از ترکیبات فعال دریایی کمتر متمایز اما پرکاربرد هستند. نکته مهم این است که بسیاری از محصولات مراقبت از پوست دریایی که در حال حاضر در بازار هستند، ترکیبات خالص نیستند، بلکه عصاره های تصفیه شده یا مخلوط های غنی شده هستند.
 

 

تولید بیوتکنولوژیکی متابولیت های ثانویه

کارایی و سرعت تولید متابولیت ثانویه توسط میکروارگانیسم‌ها به شدت به شرایط کشت/رشد آن‌ها بستگی دارد. در واقع، یکی از نیروهای محرک برای تولید متابولیت‌های خاص (در مقایسه با متابولیت‌های سازنده‌ای که معمولاً در هر شرایطی تولید می‌شوند)، شبیه‌سازی محیط زیست بومی میکروب‌های دریایی، از جمله برهمکنش‌ها با میکروارگانیسم‌های دیگر است که معمولاً در طبیعت اتفاق می‌افتد. در نتیجه، شرایط استاندارد همیشه تولید قارچی یا باکتریایی متابولیت‌های ثانویه جالب را پشتیبانی نمی‌کند. برای افزایش در دسترس بودن زیست توده میکروبی و به حداقل رساندن اثرات آسیب زیست محیطی مجموعه‌های موجودات زنده، استراتژی‌های جدیدی برای توسعه روش‌های آزمایشگاهی پایدار برای کشت ارگانیسم‌های کامل یا انواع سلول‌های منفرد از گونه‌های دریایی هدف مورد نیاز است. این موضوع همچنین برای اسفنج ها و مرجان ها که میزبان میکروارگانیسم های درون سلولی درون همزیستی هستند، اهمیت دارد. هنگامی که میکروارگانیسم ها کشت می شوند، همیشه به تولید متابولیت های مشابه ادامه نمی دهند. به منظور تقلید فعل و انفعالات طبیعی، نشان داده شده است که کشت همزمان (محیط جامد) یا تخمیر مخلوط (محیط مایع) با سایر ارگانیسم ها باعث تحریک تولید متابولیت های ثانویه می شود. فعل و انفعالات را می توان برای تقلید از محیط طبیعی برای مطالعات شیمیایی-اکولوژیکی، از جمله مطالعات همزیستی مدوله کرد. به عنوان مثال، ارگانیسم های آنتاگونیستی خاصی را می توان برای ترویج سنتز آنتی بیوتیک ها معرفی نمود. افزایش تولید چربی در ریزجلبک‌ها در کشت مشترک ریزجلبک‌ها و باکتری‌ها، از جمله سیانوباکتری‌ها و همچنین در کشت مشترک ثبت شده است. افزایش رشد در ریزجلبک‌ها در کشت مشترک ریزجلبک‌ها با سایر ریزجلبک‌ها و همچنین با قارچ‌ها و تک یاخته‌ها نیز ثبت شده است. برخی از مطالعات نشان داده‌اند که داده‌های ژنومی باکتری ناسازگاری بین تعداد خوشه‌های ژنی شناسایی‌شده با استفاده از روش‌های بیوانفورماتیک به‌عنوان تولیدکننده بالقوه متابولیت‌های ثانویه و تعداد متابولیت‌های ثانویه شیمیایی تولید شده در شرایط تخمیر استاندارد را نشان می‌دهد. بنابراین، تکنیک‌های مبتنی بر کشت با هدف تحریک بیان این ژن‌های توسعه یافته‌اند. اصلاح پارامترهای کشت مانند دما یا شوری می‌تواند ژن‌های خاموشی را فعال کند که سنتز متابولیت‌های ثانویه جدید را تعیین می‌کنند. این روش رویکرد OSMAC نامیده می شود. استراتژی OSMAC ابزار قدرتمندی است که می‌تواند بسیاری از خوشه‌های ژن بیوژنتیکی خاموش را در میکروارگانیسم‌ها فعال کند تا محصولات طبیعی بیشتری تولید کند یا متابولیت‌های فعال زیستی با بیان ضعیف را القا کند. این فعال سازی را می توان از راه های مختلفی به دست آورد. (1) با کشت مشترک گونه های مختلف: آنتی بیوتیک ها می توانند به عنوان پاسخی به چالش باکتریایی تولید شوند. (2) استخراج با تجزیه میکروبی یا با اجزای سلول میکروبی را می توان اعمال نمود. (3) استخراج شیمیایی با افزودن ترکیباتی با منشا غیر بیولوژیکی. این موضوع منجر به تغییرات در پروفایل های متابولومیک می شود، به عنوان مثال، افزایش تولید آنتی بیوتیک جادومایسین B، در Streptomyces venezuelae پس از افزودن اتانول یا تغییر در تولید آنتی بیوتیک Bacillus circulans و Bacillus polymyxa پس از افزودن DMSO به محیط تخمیر مشاهده شده است. همچنین، سایر اصلاح‌کننده‌های اپی ژنتیکی مانند 5-azacytidine و suberoyl bis-hydroxamic acid، به طور گسترده به عنوان ابزارهای مؤثر برای تحریک تولید متابولیت‌های ثانویه و یافتن مولکول‌های فعال زیستی جدید در میکروارگانیسم‌ها شناخته شده‌اند. بنابراین، هنگامی که سویه‌های باکتری دریایی فعالیت‌های امیدوارکننده‌ای از خود نشان می‌دهند، تمرکز بر محیط ‌ها و شرایط مختلف کشت برای افزایش تولید متابولیت‌های مورد نظر (از طریق بیوتکنولوژی دریایی) مهم است.
 
منبع: ISSA و آنا راتر، Marine Biology Station Piran