یک مطالعه کاربردی پر اهمیت :نشانگرهای باکتریایی می‌توانند کشند قرمز را بیش از ۲۴ ساعت زودتر پیش‌بینی کنند
11 June 2025
21 خرداد 1404
نویسنده: Milthon Lujan
چارچوبی برای شناسایی پپتیدهای کاندید.
منبع: Mudge و همکاران (2025)؛ نشریه Nature Communications، جلد 16، شماره 1، صفحات 1 تا 14.
شکوفایی جلبکی زیان‌آور (Harmful Algal Blooms -HABs) که با نام «کشند قرمز» نیز شناخته می‌شوند به تهدیدی فزاینده و ویرانگر برای آبزی‌پروری، شیلات و سلامت اکوسیستم‌های دریایی در سراسر جهان تبدیل شده‌اند. انباشت عظیم فیتوپلانکتون‌ها می‌تواند سموم عصبی تولید کند و نواحی فاقد اکسیژن (anoxic zones) به‌وجود آورد که ماهی‌ها را به دلیل کمبود اکسیژن می‌کشد، یا حتی موجب انسداد آبشش آن‌ها شود. برای یک تولیدکننده‌ی آبزی‌پروری، بروز ناگهانی کشند قرمز می‌تواند به معنای از دست رفتن کامل محصول در عرض چند روز باشد.
تا امروز، یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها ناتوانی در پیش‌بینی به موقع وقوع کشند قرمز در زمان مناسب بوده است تا بتوان اقدامات پیشگیرانه انجام داد. با این حال، مطالعه‌ای انقلابی که توسط دانشمندانی از دانشگاه واشینگتن، مؤسسه فناوری جورجیا و دانشگاه رود آیلند انجام شده و در نشریه معتبر Nature Communications منتشر شده است، ابزار پیش‌بینی جدیدی را معرفی می‌کند که می‌تواند شرایط را متحول کند. دانشمندان نشان داده‌اند که میکروبیوم اقیانوسی درست پیش از آغاز شکوفه‌ی جلبکی دچار تغییری قابل پیش‌بینی و قابل اندازه‌گیری می‌شود و همین موضوع یک فرصت هشدار حیاتی فراهم می‌کند.
میکروبیوم به‌عنوان دیده‌بان: تغییری بنیادین در نگرش
به‌جای تمرکز صرف بر روی جلبک‌ها، پژوهشگران یک فرضیه نوآورانه مطرح کردند: باکتری‌های آزادزی که در کنار فیتوپلانکتون‌ها زندگی می‌کنند، نسبت به ظریف‌ترین تغییرات شیمیایی و فیزیکی در محیط بسیار حساس‌اند. این باکتری‌ها به‌سرعت سامانه‌های درونی خود، یعنی پروتئین‌هایشان، را برای واکنش به این تغییرات تنظیم می‌کنند. فرضیه این بود که این واکنش باکتریایی، که در سطح پپتیدی (اجزای سازنده‌ی پروتئین‌ها) قابل شناسایی است، پیش از آن رخ می‌دهد که فیتوپلانکتون وارد رشد نمایی خود شود که ویژگی اصلی شکوفایی جلبکی زیان‌آور است.
تمرکز این مطالعه بر باکتری‌های آزاد بود، که تصمیمی راهبردی و کلیدی به شمار می‌رود. این انتخاب نه‌تنها استخراج سیگنال‌های باکتریایی را بدون تداخل زیست‌توده‌ی فراوان فیتوپلانکتون‌ها ممکن می‌سازد، بلکه احتمال آن را افزایش می‌دهد که نشانگرهای زیستی شناسایی‌شده در سامانه‌های شکوفایی مختلف نیز قابل استفاده باشند و محدود به یک گونه خاص از جلبک نباشند.
جاسوسی(دیده بانی) مولکولی با دقت بالا
برای آزمودن فرضیه خود، تیم تحقیقاتی نمونه‌برداری با دقت بالا را در East Sound، Washington (USA) انجام دادند، که یک اکوسیستم ساحلی پویا است. آن‌ها نمونه‌های میکروبیوم باکتریایی را هر چهار ساعت یک‌بار در طول چرخه کامل دو شکوفایی از دیاتوم Chaetoceros socialis جمع‌آوری کردند. طراحی آزمایش به صورت ویژه محکم و دقیق بود:
- فاز کشف: آن‌ها از یک دوره قبل از شکوفایی اول استفاده کردند که با پارامترهای محیطی نسبتاً پایدار، مشخص می‌شد تا هزاران پپتید باکتریایی را با استفاده از تکنیک‌های پیشرفته طیف‌سنجی جرمی (متاپروتئومیکس[1]) تحلیل کرده و کاندیداهای نشانگر زیستی احتمالی را شناسایی کنند.
- فاز اعتبارسنجی: این کاندیداها را در دوره قبل از شکوفایی دوم که ۱۷ روز بعد و تحت شرایط تغذیه‌ای کاملاً متفاوت رخ داد، آزمودند. هدف این بود که بررسی کنند آیا همان پپتیدها با وجود تغییرات محیطی رفتار پیش‌بینی مشابهی نشان می‌دهند یا خیر.
این رویکرد «کشف و اعتبارسنجی» در شرایط مختلف، اعتبار بالایی به نتایج می‌بخشد و نشان می‌دهد که این نشانگرهای زیستی صرفاً واکنشی ساده به شرایط محلی و خاص نیستند.
۱۲ پپتید باکتریایی برای هشدار زودهنگام
تحلیل با موفقیت انجام شد. تیم تحقیقاتی ۱۲ پپتید باکتریایی نهایی را شناسایی کرد که به‌عنوان نشانگرهای زیستی قابل اعتماد و پیش‌بینی‌کننده عمل می‌کنند.
مهم‌ترین یافته‌ها عبارتند از:
- هشدار زودهنگام تأیید شد: این ۱۲ پپتید حداقل ۲۴ ساعت پیش از شروع شکوفایی جلبکی در هر دو رویداد مورد مطالعه، تغییر وضعیت واضح و برگشت‌ناپذیری نشان دادند.
- پایداری و اعتبار: الگوی این پپتیدها در هر دو شکوفایی مشابه بود، با وجود اینکه پروفایل‌های تغذیه‌ای آب (مانند سیلیکات و نیترات) در هر مورد بسیار متفاوت بود. این موضوع نشان می‌دهد که این نشانگرهای زیستی به سیگنالی بنیادی واکنش می‌دهند که پیش از شکوفایی رخ می‌دهد و مستقل از شرایط محیطی خاص است.
- منشأ نشانگرها: این پپتیدها از کلاس‌های معمول باکتریایی در اکوسیستم‌های دریایی مانند Gammaproteobacteria، Flavobacteriia و Verrucomicrobiae بودند که احتمال تعمیم این یافته‌ها به مناطق و انواع مختلف شکوفایی‌ها را افزایش می‌دهد.
جالب اینجاست که شش مورد از دوازده پپتید تایید شده، گیرنده‌های وابسته به (TBDRs) TonB بودند؛ سیستمی که باکتری‌ها برای انتقال منابع کمیاب مانند آهن یا کربوهیدرات‌ها استفاده می‌کنند. فعال شدن این پروتئین‌های پرهزینه از نظر متابولیکی، آن‌هم به‌صورت زودهنگام و هماهنگ، نشان می‌دهد که این‌ها شاخص‌های بسیار حساسی از تغییرات شیمیایی هستند که زمینه‌ساز بروز شکوفایی جلبکی زیان‌آور می‌شوند.
[1] متاپروتئومیکس یعنی مطالعه همزمان پروتئین‌های همه‌ی میکروارگانیسم‌های حاضر در یک نمونه محیطی، مثل آب یا خاک.
این روش با استفاده از تکنیک‌های پیشرفته طیف‌سنجی جرمی انجام می‌شود و به ما کمک می‌کند تا عملکرد و فعالیت‌های باکتری‌ها و دیگر میکروب‌ها را در محیط طبیعی‌شان به‌دقت بررسی کنیم.
پیامدها برای آبزی‌پروری و مدیریت سواحل
این کشفیات راه را برای تغییر بنیادین در مدیریت ریسک‌های مرتبط با شکوفایی جلبکی زیان‌آور در آبزی‌پروری باز می‌کند.
- پیش‌بینی و کاهش خسارت: هشدار بیش از ۲۴ ساعت قبل، زمان ارزشمندی در اختیار تولیدکنندگان قرار می‌دهد تا اقدامات اضطراری انجام دهند؛ مانند توقف تغذیه برای کاهش استرس ماهیان، فعال‌سازی سیستم‌های اکسیژن‌رسانی، یا حتی در صورت امکان، برنامه‌ریزی برای جابجایی قفس‌ها.
- غلبه بر محدودیت‌های فعلی: بر خلاف روش‌های نظارتی کنونی که اغلب شکوفایی را وقتی تأیید می‌کنند که رخ داده و خسارت زده است، این ابزار واقعاً پیش‌بینی‌کننده است.
- امکان توسعه تست “روشن/خاموش: ماهیت تغییر شناسایی‌شده در پپتیدها آنقدر واضح است که می‌تواند توسعه یک آزمایش سریع را ممکن سازد. به جای پایش پیچیده و مداوم، می‌توان به دنبال «فعال شدن» این سیگنال بود و با اعلام هشدار قبل از شکوفایی، هزینه‌های توسعه و اجرا را کاهش داد.
نتیجه‌گیری: نگاهی به آینده
این مطالعه نخستین شواهد قوی را ارائه می‌دهد که تحلیل میکروبیوم باکتریایی می‌تواند نشانگرهای زیستی قابل اعتمادی برای پیش‌بینی آغاز شکوفایی جلبکی زیان‌آور فراهم کند. هرچند نویسندگان خود اشاره کرده‌اند که برای اعتبارسنجی این ۱۲ پپتید (و احتمالاً پپتیدهای دیگر) در اکوسیستم‌های مختلف و با گونه‌های متفاوت جلبکی – از جمله انواع بسیار سمی – تحقیقات بیشتری لازم است، مسیر مشخص شده است.
توانایی پیش‌بینی شکوفایی جلبکی، به جای صرفاً واکنش به آن، مدت‌هاست هدف اصلی علم و صنعت آبزی‌پروری بوده است. به لطف این «دیده‌بان‌های» میکروسکوپی، آن آینده یک قدم به واقعیت نزدیک‌تر شده و مدیریت آبزی‌پروری جهانی را ایمن‌تر، پایدارتر و سودآورتر می‌کند.
