W roku 2022 na łamach Mleczarskich Technologii opublikowaliśmy artykuł o białkach mleka oraz produktach mleczarskich jako źródle bioaktywnych peptydów. W nim pojawiły się informacje o tym, że badania na ten temat prowadzi się z wykorzystaniem m. in. metod in silico. Na ten temat rozmawiamy z autorką artykułu: prof. dr hab. inż. Anną Iwaniak z Katedry Biochemii Żywności, Wydziału Nauki o Żywności, Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie.

Jarosław Banaś: Pani Profesor, co to znaczy, że badania można prowadzić metodami in silico?

Anna Iwaniak: Panie Redaktorze, tego nie da się wyjaśnić w kilku słowach. Najkrócej mogę powiedzieć, że analizę wykonano posługując się metodami komputerowymi. To z kolei skłania do kolejnego pytania, mianowicie: co to są metody komputerowe?

Zatem pytam: co to są te metody komputerowe?

Trudno nam sobie wyobrazić życie codzienne bez komputera i internetu. To samo dzieje się w laboratoriach. Komputer to powszechne narzędzie pracy, zatem odpowiadając na pytanie, do metod komputerowych zaliczymy różnego rodzaju programy przeznaczone do zautomatyzowanych obliczeń oraz bazy danych składników żywności. Wszystko to razem określimy metodami bioinformatycznymi, czy inaczej in silico. Co to jest informatyka, wszyscy wiedzą, a bioinformatyka łączy tę dziedzinę wiedzy z naukami przyrodniczymi, czyli „bio”. Mariaż jest dwojaki, informatycy tworzą programy komputerowe czy bazy danych użyteczne w badaniach naukowych lub naukowcy (bez przygotowania informatycznego), ogólnie nazwę ich przyrodnikami – korzystają z gotowych programów, analizują dane, wyciągają wnioski. A termin „in silico”, czyli z łaciny „w krzemie”, to czynności wykonane na komputerze albo za pomocą symulacji komputerowej.

Jak połączyć metody komputerowe z bioaktywnymi peptydami, o których Pani pisała na łamach naszego czasopisma?

O, to jest temat rzeka. Musiałabym zacząć od „dawno, dawno temu…” oraz wpleść wątek, jak znalazłam się w tym świecie (śmiech). Przypomnę, że bioaktywne peptydy to cząsteczki powstające w wyniku rozpadu białek. Mają one wiele korzystnych funkcji dla organizmu, mogą przykładowo obniżać ciśnienie krwi, regulować poziom cukru we krwi, działać antyoksydacyjnie, antybakteryjnie itd. Obecnie sklasyfikowano kilkadziesiąt aktywności peptydów, a same peptydy wykryto niemal we wszystkich białkach  żywności oraz żywności, czyli mleku i produktach mleczarskich, jajach, mięsie, szynce, nasionach zbóż i nasion oleistych. Przemnóżmy to przez liczbę peptydów oraz wszystkie białka żywności. Powstanie ogromna liczba peptydów, a naukowcy nie śpią  – ciągle pojawiają się informacje o zidentyfikowaniu peptydu w nowym białku, albo znany już nam produkt (czy białko) okazuje się źródłem peptydów o innych aktywnościach biologicznych. I tu pojawiam się  ja, a konkretnie zespół Katedry Biochemii Żywności, Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie, w którym pracuję.

To znaczy? 

Utworzyliśmy bazę danych bioaktywnych peptydów, którą nazwaliśmy BIOPEP-UWM. Pomysł był prosty: spróbujmy „dokumentować”, zebrać dane o tych peptydach. Oczywiście był to proces, zmieniali się ludzie zaangażowani w realizację pomysłu, ostatecznie utrzymał się stały zespół w składzie: prof. dr hab. Piotr Minkiewicz, prof. dr hab. Małgorzata Darewicz oraz ja. Staramy się też angażować młodsze koleżanki i kolegów. Obecnie w bazie BIOPEP-UWM można znaleźć informacje o prawie 4700 peptydach bioaktywnych, ponad 500 peptydach wpływających na smak żywności i ponad 130 peptydach o właściwościach alergennych. To dane na dzisiaj.

Gdybym chciał skorzystać z bazy BIOPEP-UWM, czego mogę się dowiedzieć?

Po pierwsze, jaką aktywnością charakteryzują się peptydy zidentyfikowane w białkach żywności. Można też wykonać szybką analizę, by sprawdzić czy konkretne białko żywności jest źródłem bioaktywnych peptydów. Następnie, jaką aktywność wykazują te peptydy. W kolejnym etapie, może Pan sprawdzić jaki enzym jest w stanie uwolnić, czyli „wyprodukować” peptydy z białek. BIOPEP-UWM poza tym, że jest bazą danych, to ma funkcje obliczeniowe, które pozwalają na takie symulacje. Oczywiście wyniki symulacji należy zweryfikować w laboratorium – mimo to, wspomaganie się przez naukowca metodami in silico, znacznie ułatwia i przyśpiesza pracę.

W jakim sensie?

Każdy naukowiec zajmujący się białkami, żywnością zasobną w biopeptydy powie, że spędził wiele czasu izolując białko z produktu, następnie dobierając enzymy i warunki hydrolizy, by otrzymać hydrolizat. Potem należy sprawdzić, czy rzeczywiście są w nim peptydy, czyli dokonać identyfikacji oraz zbadać aktywność hydrolizatu, czy wyizolowanych peptydów. Jest to czasochłonne, doliczmy też koszty związane z analityką. I tutaj pomocne są metody in silico, w tym BIOPEP-UWM jako narzędzie prognostyczne.  Stosując BIOPEP-UWM mogę stosunkowo szybko i bezkosztowo przewidzieć, np. jaki enzym z puli kilkunastu wziętych pod uwagę, wyprodukuje peptydy z białka. Mogę też zadać pytanie, który z enzymów nie wyprodukuje peptydów. Taka prognoza jest istotna wówczas, gdy technolog chce wyeliminować właściwość niekorzystną, np. gorzki smak lub obniżyć alergenność.

Kto może korzystać z bazy BIOPEP-UWM?

W sumie wszyscy, baza jest dostępna dla każdego – wystarczy wpisać frazę BIOPEP-UWM w dowolną wyszukiwarkę i gotowe.

Jakie dotąd badania prognostyczne wykonano za pomocą BIOPEP-UWM?

Powstało kilkaset publikacji, w których zastosowano BIOPEP-UWM, nie wliczam tych, które opublikowali pracownicy Katedry Biochemii Żywności, gdzie pracuję. Wśród naukowców na świecie zajmujących się żywnością, BIOPEP-UWM jest uznawany za standardowe narzędzie prognostyczne. Jesteśmy z tego dumni. Co do badań z wykorzystaniem BIOPEP-UWM ograniczę się do przykładów z naszej katedry. Powiem, że analizowano białka owsa, soi, ryb, owoców morza jako źródła peptydów o różnorodnych właściwościach biologicznych. BIOPEP-UWM służył do prognozowania, jakie aktywności dominują w białkach wymienionych surowców czy produktów oraz stosowano go  do tzw. symulowanego trawienia. Jeśli chodzi o żywność, BIOPEP-UWM okazał się użytecznym narzędziem do badania kazeiny-beta mleka krowiego oraz globulin owsa jako źródła peptydów w profilaktyce chorób tzw. syndromu metabolicznego. Wyniki weryfikowano na produktach takich jak ser Gouda oraz płatki owsiane. Wykazano, że te dwa produkty zawierają m. in. peptydy obniżające ciśnienie krwi oraz antydiabetyczne.

Jako wykonawcy jesteśmy włączani w projekty badawcze. Jeden z nich jest prowadzony we współpracy z przemysłem. Spodziewamy się, że efektem badań prognostycznych wykonanych za pomocą BIOPEP-UWM, będzie opatentowanie i/lub know-how dotyczące nowej technologii wytworzenia żywności o właściwościach funkcjonalnych i biologicznych. Te drugie  mają wynikać z obecności peptydów bioaktywnych.

Czyli można powiedzieć, że BIOPEP-UWM wkracza do przemysłu?

Jak już mówiłam, analiza prognostyczna dzięki prostocie, powtarzalności i odtwarzalności wyników, umożliwia obniżenie czasochłonności i kosztochłonności badań. Dotyczy to nie tylko laboratoriów uczelnianych, ale działów  R&D przedsiębiorstw. Skoro baza BIOPEP-UWM jest narzędziem prognostycznym, to jak najbardziej może służyć do oceny sekwencji białek jako źródła biopeptydów. Korzystanie z takiej bazy danych przydaje się do charakterystyki surowca (białka) do projektowania żywności o specyficznych właściwościach, co przekłada się na jakość żywności. Wpisuje się to w ideę nazywaną QbD (ang. quality by design) oznaczającą jakość poprzez projektowanie.

Dziękuję za rozmowę

Rozmawiał Jarosław Banaś