علم تاگاتوز: چگونه باکتری‌های مهندسی‌شده، جایگزین شکر «جام مقدس» را تولید انبوه می‌کنند

تصور کنید سینی کوکی‌های شکلاتی را از فر بیرون می‌کشید. لبه‌ها کاملاً کاراملی شده‌اند، مرکزشان نرم و جویدنی است و بوی کره تست‌شده و وانیل در آشپزخانه پیچیده است. حالا تصور کنید همین کوکی‌ها کمتر از نصف کالری یک دسته معمولی را داشته باشند، بدون اینکه قند خون شما را به طور محسوسی بالا ببرند. دهه‌هاست که قنادان خانگی و سرآشپزهای شیرینی‌پزی تجاری به دنبال چنین سناریویی بوده‌اند، اما همیشه از جایگزین‌های شکری که محصولات پخته‌شده را تخت، کم‌رنگ یا با طعم تلخ و فلزی باقی می‌گذارند، ناامید شده‌اند.

صنعت غذا مدت‌هاست که یک قند کمیاب و طبیعی به نام تاگاتوز را «جام مقدس» شیرین‌کننده‌ها می‌داند. این ماده ۹۲ درصد شیرینی شکر معمولی (ساکارز) را فراهم می‌کند، اما تقریباً ۶۰ درصد کالری کمتری دارد. مهم‌تر از آن برای فرمولاسیون دسرها، تاگاتوز یک «شیرین‌کننده حجیم» است؛ به این معنی که حجم فیزیکی، یکپارچگی ساختاری و قابلیت قهوه‌ای شدن را که شیرین‌کننده‌های مصنوعی با شدت بالا مانند استویا یا سوکرالوز به سادگی نمی‌توانند تکرار کنند، ارائه می‌دهد.[1][2]

اگر تاگاتوز جایگزین ایده‌آلی است، چرا هنوز در هر کابینتی پیدا نمی‌شود؟ مانع همیشه کمیابی و هزینه بوده است. تاگاتوز به طور طبیعی تنها در مقادیر بسیار ناچیز یافت می‌شود—معمولاً کمتر از ۰.۲ درصد قندهای موجود در محصولات لبنی و برخی میوه‌ها مانند سیب و آناناس. از آنجایی که استخراج مستقیم آن از طبیعت عملاً غیرممکن است، تولیدکنندگان به طور سنتی به فرآیندهای شیمیایی پیچیده برای تبدیل گالاکتوز (قندی که از لاکتوز گرفته می‌شود) به تاگاتوز متکی بوده‌اند.[2]

این روش‌های تولید مرسوم به شدت ناکارآمد هستند. تبدیل شیمیایی سنتی تنها ۴۰ تا ۷۷ درصد تاگاتوز از ماده اولیه به دست می‌دهد، که محصول نهایی را برای استفاده تجاری گسترده بسیار گران می‌کند. برای اینکه تاگاتوز از قفسه‌های خاص مواد غذایی سالم خارج شده و وارد نانوایی‌های اصلی شود، دانشمندان به یک ماده خام ارزان‌تر و بسیار فراوان و روشی بسیار کارآمدتر برای فرآوری آن نیاز داشتند.[1][2]

راه‌حل نه از یک آزمایشگاه شیمی، بلکه از زیست‌شناسی مصنوعی به دست آمد. محققان دانشگاه تافتس (Tufts University) با موفقیت باکتری اشرشیا کُلی (E. coli) را مهندسی کردند تا به عنوان کارخانه‌های قند میکروسکوپی عمل کنند و قادر باشند گلوکز ارزان و فراوان را مستقیماً به تاگاتوز تبدیل کنند. تیم مهندسی با بازطراحی متابولیسم طبیعی باکتری، به بازده تبدیل خیره‌کننده ۹۵ درصدی دست یافتند که اساساً مقرون به صرفه بودن این شیرین‌کننده را تغییر می‌دهد.[1]

برای دستیابی به این هدف، مهندسان زیستی مجبور شدند باکتری را وادار کنند تا یک فرآیند بیولوژیکی طبیعی را به صورت معکوس اجرا کند. به طور معمول، باکتری‌ها از مسیری متابولیک به نام مسیر للوآر (Leloir pathway) برای تجزیه گالاکتوز به گلوکز جهت تأمین انرژی استفاده می‌کنند. محققان می‌خواستند این روند را معکوس کنند: به باکتری گلوکز ارزان بدهند و آن را مجبور کنند گالاکتوز بسازد، که سپس می‌تواند به تاگاتوز تبدیل شود.[1][2]

کلید معکوس کردن این مسیر، یک آنزیم تازه شناسایی شده به نام گالاکتوز-۱-فسفات-سلکتیو فسفاتاز (Gal1P) بود که از گونه‌ای از کپک مخاطی (slime mold) به دست آمده است. هنگامی که محققان دستورالعمل‌های ژنتیکی این آنزیم کپک مخاطی را به باکتری E. coli پیوند زدند، نیروی ترمودینامیکی لازم برای اجرای معکوس مسیر للوآر فراهم شد.[1][2]

هنگامی که باکتری مهندسی‌شده با موفقیت گلوکز را به گالاکتوز تبدیل کرد، آنزیم دومی—آرابینوز ایزومراز—وارد عمل شد تا خط مونتاژ را تکمیل کند. این آنزیم دوم ساختار مولکولی گالاکتوز را بازآرایی کرد و آن را به تاگاتوز بسیار ارزشمند تبدیل نمود. باکتری‌ها عملاً تمام کار سنگین را در یک فرآیند تخمیر پیوسته و واحد انجام می‌دهند و نیاز به کاتالیزورهای شیمیایی گران‌قیمت را از بین می‌برند.[1][2]

فراتر از عملکرد آشپزی، مشخصات بیولوژیکی تاگاتوز مزایای قابل توجهی برای سلامت متابولیک ارائه می‌دهد. هنگامی که فرد ساکارز سنتی مصرف می‌کند، بدن آن را به سرعت در روده کوچک جذب می‌کند، که منجر به افزایش شدید قند خون و ترشح متناظر انسولین می‌شود. با این حال، تاگاتوز تنها به صورت جزئی در روده کوچک جذب می‌شود.[1][2]

از آنجایی که بخش زیادی از تاگاتوز از هضم اولیه عبور می‌کند، به روده بزرگ می‌رسد و در آنجا توسط میکروبیوم روده تخمیر می‌شود. این متابولیسم تأخیری و جزئی به این معنی است که تاگاتوز حداقل افزایش را در سطح قند خون و انسولین ایجاد می‌کند، و آن را به گزینه‌ای بسیار جذاب برای افرادی که دیابت یا مقاومت به انسولین را مدیریت می‌کنند، تبدیل می‌نماید.[1][2]

مزایای تاگاتوز به سلامت دهان و دندان و دستگاه گوارش نیز گسترش می‌یابد. شکر سنتی سوخت اصلی باکتری‌های ایجادکننده پوسیدگی است که در دهان انسان زندگی می‌کنند. تاگاتوز این میکروب‌های خاص را تغذیه نمی‌کند؛ در واقع، شواهد نوظهور نشان می‌دهد که ممکن است رشد آن‌ها را مهار کند و خطر پوسیدگی دندان را کاهش دهد. علاوه بر این، تخمیر تاگاتوز در روده بزرگ، اسیدهای چرب کوتاه زنجیر تولید می‌کند، که نشان می‌دهد این شیرین‌کننده به عنوان یک پره‌بیوتیک عمل کرده و از محیطی سالم برای باکتری‌های مفید روده حمایت می‌کند.[1][2]

از منظر ایمنی مواد غذایی، زیرساخت‌های نظارتی برای تاگاتوز از قبل به خوبی تثبیت شده است. سازمان غذا و داروی ایالات متحده (FDA) تاگاتوز را به عنوان «به طور کلی ایمن شناخته شده» (GRAS) تعیین کرده است. این امر قند کمیاب را در همان دسته نظارتی مواد اصلی روزمره مانند نمک، سرکه و جوش شیرین قرار می‌دهد و یک مانع بزرگ را برای تولیدکنندگان مواد غذایی که به دنبال بازنگری در خطوط تولید خود هستند، برطرف می‌کند.[1][2]

در حالی که تحقیقات دانشگاه تافتس به عنوان یک اثبات مفهوم قدرتمند عمل می‌کند، ارتقاء این فناوری از بیوراکتورهای آزمایشگاهی به مخازن تخمیر در مقیاس صنعتی، فاز حیاتی بعدی است. بیوتکنولوژی صنعتی نیازمند کنترل دقیق دما، تغذیه مواد مغذی و سلامت باکتری‌ها است تا بتواند آن بازده ۹۵ درصدی چشمگیر را در حجم تجاری حفظ کند.

همچنین محدودیت‌های فیزیولوژیکی وجود دارد که باید در نظر گرفته شوند. از آنجایی که تاگاتوز در روده بزرگ تخمیر می‌شود، مصرف آن در مقادیر بسیار زیاد می‌تواند منجر به ناراحتی‌های گوارشی، از جمله نفخ یا اثرات ملین شود—ویژگی‌ای که در بسیاری از کربوهیدرات‌های کم‌هضم و الکل‌های قندی رایج است. فرمول‌سازان باید میل به کاهش کالری را با تحمل گوارشی متعادل کنند و احتمالاً تاگاتوز را با مواد دیگر در دسرهای سنگین ترکیب نمایند.

با وجود این چالش‌های مقیاس‌بندی و فرمولاسیون، توانایی بیوسنتز قندهای کمیاب از گلوکز ارزان قیمت، نشان‌دهنده یک تغییر پارادایم در علم غذا است. اگر این فرآیند باکتریایی مهندسی‌شده با موفقیت تجاری شود، می‌تواند سرانجام پیوند بین دسرهای لذیذ و کاملاً پخته‌شده و هزینه‌های متابولیک شکر سنتی را قطع کند. برای اولین بار، «جام مقدس» شیرینی‌پزی ممکن است واقعاً در دسترس باشد.[1][2]