ترهالوز چیست

۱. معرفی ترهالوز

ترهالوز یک دی‌ساکارید طبیعی است که از اتصال دو مولکول گلوکز از طریق پیوند گلیکوزیدی α,α-1,1 ساخته شده است. این قند به خاطر پایداری فوق‌العاده و خواص محافظتی‌اش شناخته شده و نقش مهمی در کمک به موجودات زنده برای تحمل شرایط محیطی شدید مانند خشکی، گرما، سرما و اکسیداسیون ایفا می‌کند. ترهالوز در بسیاری از موجودات از جمله باکتری‌ها، قارچ‌ها، گیاهان و بی‌مهرگان یافت می‌شود.

این قند به دلیل توانایی خاصی که در پایدارسازی پروتئین‌ها و ساختارهای سلولی دارد، مورد توجه شدید علمی قرار گرفته است. همین ویژگی باعث شده تا در کاربردهای مختلفی از صنایع غذایی و لوازم آرایشی تا داروسازی و زیست‌فناوری استفاده شود. به دلیل ماهیت غیرکاهنده، جذب رطوبت کم و شیرینی ملایم، ترهالوز ویژگی‌هایی دارد که آن را از سایر قندهایی مانند ساکارز یا گلوکز متمایز می‌کند.

ترهالوز در اواسط قرن نوزدهم برای اولین بار کشف شد. ابتدا آن را از قارچ ارگوت (نوعی قارچ انگلی روی گندم و چاودار) و بعدها از ترشح شیرین سوسک‌ها جدا کردند که از همین ویژگی نام آن یعنی "ترهالا" (Trehala) گرفته شد—قندی طبیعی که از پیله حشرات به دست می‌آمد.

در سال‌های اخیر، ترهالوز به چیزی فراتر از یک قند ساده تبدیل شده است—یک تثبیت‌کننده زیستی، عامل درمانی بالقوه، و مولکولی چندکاره که در مرزهای بین زیست‌شناسی، شیمی و علوم کاربردی قرار دارد. این مقاله، بررسی جامعی از ترهالوز ارائه می‌دهد؛ از ساختار شیمیایی و نقش‌های زیستی آن گرفته تا روش‌های تولید صنعتی و کاربردهای گسترده‌اش.

۲. ساختار شیمیایی و ویژگی‌ها

ترهالوز یک دی‌ساکارید غیرکاهنده است با فرمول شیمیایی C₁₂H₂₂O₁₁ و وزن مولکولی حدود ۳۴۲.۳ گرم بر مول. این مولکول از دو واحد گلوکز از نوع α-D-glucopyranosyl تشکیل شده است که از طریق پیوند α,α-1,1 به یکدیگر متصل شده‌اند. همین نوع اتصال باعث می‌شود پایداری حرارتی و شیمیایی بسیار بالایی داشته باشد.

برخلاف سایر دی‌ساکاریدها مانند مالتوز و ساکارز، ترهالوز ساختار متقارن دارد. این تقارن منجر به غیرکاهنده بودن آن می‌شود، به این معنی که فاقد گروه آلدئیدی یا کتونی آزاد است، و در نتیجه در واکنش میلارد (Maillard) شرکت نمی‌کند—واکنشی که باعث قهوه‌ای شدن و ایجاد طعم در غذاها می‌شود.

ویژگی‌های کلیدی ترهالوز:

حلالیت بالا در آب: حدود ۶۸ گرم در ۱۰۰ میلی‌لیتر آب در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد
رطوبت‌گیری پایین (Low Hygroscopicity): مناسب برای فرمول‌های خشک و پودری
پایداری بالا: در برابر گرما و محیط‌های اسیدی
شیرینی ملایم: حدود ۴۵٪ شیرینی ساکارز
شکل کریستالی پایدار: بدون جذب رطوبت زیاد و بدون ایجاد کلوخه

این ویژگی‌ها باعث می‌شوند ترهالوز مولکول بسیار مناسبی برای محافظت از پروتئین‌ها، لیپیدها و ساختارهای سلولی در برابر خشک شدن یا انجماد باشد. در حالت بی‌آب، ترهالوز به شکل یک ماتریس شیشه‌ای (Glassy Matrix) درمی‌آید که مولکول‌های زیستی را غیرفعال و پایدار نگه می‌دارد.

خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به‌فرد ترهالوز، آن را برای کاربرد در فرمول‌های دارویی، زیست‌فناوری، مواد آرایشی و مواد غذایی بسیار مناسب کرده است.

۳. پیدایش طبیعی و مسیرهای زیستی تولید ترهالوز

ترهالوز در طیف وسیعی از موجودات زنده یافت می‌شود؛ از باکتری‌ها تا قارچ‌ها، گیاهان و بی‌مهرگان. مسیرهای بیوشیمیایی تولید آن بسته به نوع موجود متفاوت است.

در باکتری‌ها:

بیشتر باکتری‌ها از مسیر معروف به OtsA-OtsB برای سنتز ترهالوز استفاده می‌کنند که شامل دو آنزیم اصلی است:

Trehalose-6-phosphate synthase (OtsA)
تبدیل UDP-گلوکز و گلوکز-۶-فسفات به ترهالوز-۶-فسفات
Trehalose-6-phosphate phosphatase (OtsB)
حذف گروه فسفات از ترهالوز-۶-فسفات برای تولید ترهالوز آزاد

باکتری‌ها همچنین از مسیرهای جایگزین مانند:

مسیر TreY-TreZ (تبدیل مالتواولیگوساکاریدها به ترهالوز)
مسیر TreS (تبدیل برگشت‌پذیر مالتوز به ترهالوز توسط ترهالوز سنتاز)

استفاده می‌کنند.

در قارچ‌ها و مخمرها:

قارچ‌هایی مانند Saccharomyces cerevisiae نیز از مسیر OtsA-OtsB استفاده می‌کنند. در این موجودات، تجمع ترهالوز در شرایط استرس مانند گرمای شدید یا کمبود مواد غذایی به‌شدت افزایش می‌یابد.

در گیاهان:

گیاهان از مسیر مشابهی برای سنتز ترهالوز-۶-فسفات استفاده می‌کنند. با اینکه مقدار ترهالوز در گیاهان معمولاً پایین است، اما ترهالوز-۶-فسفات یک سیگنال کلیدی در متابولیسم کربن و رشد گیاه محسوب می‌شود.

در بی‌مهرگان:

در حشرات، ترهالوز قند اصلی در همولنف (مایع بدن حشرات) است و نقش مهمی در ذخیره انرژی، مقاومت در برابر خشکی و سرمای شدید دارد.

در مجموع، سنتز و وجود ترهالوز در موجودات مختلف نشان‌دهنده اهمیت تکاملی آن به عنوان یک محافظ سلولی و منبع انرژی است.

۴. مکانیسم عملکرد: تحمل استرس و محافظت سلولی

ترهالوز به عنوان یک محافظ قوی در برابر انواع استرس‌های محیطی و فیزیولوژیکی عمل می‌کند. این عملکرد به واسطه توانایی منحصر به فرد آن در پایدارسازی مولکول‌های زیستی و ساختارهای سلولی صورت می‌گیرد. در ادامه، مکانیسم‌های اصلی حفاظت سلولی توسط ترهالوز را بررسی می‌کنیم:

۴.۱ تشکیل شیشه زیستی (Vitrification)

یکی از مکانیسم‌های کلیدی ترهالوز، تبدیل به حالت شیشه‌ای بی‌آب در هنگام خشک شدن است. این حالت شیشه‌ای، ساختارهای سلولی را بی‌حرکت کرده و از تخریب یا تجمع آنها جلوگیری می‌کند. در موجوداتی مانند تاردیگریدها (خرس‌های آبی) یا برخی کرم‌ها، همین ویژگی باعث زنده ماندن در شرایط تقریبا بدون آب می‌شود.

۴.۲ فرضیه جایگزینی آب (Water Replacement Hypothesis)

ترهالوز می‌تواند جایگزین مولکول‌های آب در اطراف پروتئین‌ها و غشاهای لیپیدی شود. با تشکیل پیوندهای هیدروژنی با گروه‌های قطبی، ترهالوز باعث حفظ ساختار طبیعی مولکول‌ها حتی در محیط‌های کم‌آب می‌شود. این ویژگی در انجماد یا فریز-خشک کردن بسیار مهم است.

۴.۳ تثبیت غشاء سلولی

در شرایطی مانند خشکی یا گرمای شدید، غشاء سلول‌ها دچار تغییر فاز و نشت می‌شود. ترهالوز با اتصال به سرگروه‌های فسفولیپیدها، از چسبیدن غشاءها به هم و نشت محتویات سلولی جلوگیری کرده و یکپارچگی غشاء را حفظ می‌کند.

۴.۴ مقابله با استرس اکسیداتیو

ترهالوز عملکردی شبیه به آنتی‌اکسیدان‌ها دارد. اگرچه مستقیماً یک آنتی‌اکسیدان نیست، ولی با پایدارسازی آنزیم‌ها و میتوکندری‌ها به صورت غیرمستقیم از تجمع گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) جلوگیری می‌کند. این ویژگی در بافت‌هایی مانند مغز و کبد بسیار مفید است.

۴.۵ فعال‌سازی اتوفاژی (خودخواری سلولی)

مطالعات جدید نشان داده‌اند که ترهالوز می‌تواند فرایند اتوفاژی را فعال کند—فرایندی که طی آن سلول، اندامک‌ها و پروتئین‌های آسیب‌دیده را تجزیه و بازیافت می‌کند. این ویژگی در درمان بیماری‌های نورودژنراتیو مثل پارکینسون، آلزایمر و هانتینگتون بسیار اهمیت دارد.

۴.۶ جلوگیری از نادرستی تاخوردگی پروتئین‌ها

آزمایش‌ها نشان داده‌اند که ترهالوز از تاخوردگی اشتباه و تجمع پروتئین‌ها در شرایط استرسی مانند حرارت یا چرخه‌های یخ‌زدایی/ذوب شدن جلوگیری می‌کند. این قند با اتصال به پروتئین‌های نیمه‌تاخورده، آن‌ها را پایدار کرده و باعث تاخوردگی صحیح در هنگام بازیابی آب می‌شود.

۵. ترهالوز در موجودات زنده

ترهالوز نقش فیزیولوژیکی بسیار مهمی در بسیاری از موجودات زنده ایفا می‌کند و به‌عنوان محافظ در برابر تنش‌های محیطی و منبع ذخیره انرژی عمل می‌نماید. گستردگی وجود ترهالوز در میان موجودات مختلف—from باکتری‌ها تا حیوانات—بیانگر اهمیت تکاملی آن است. در این بخش بررسی می‌شود که چگونه ارگانیسم‌های مختلف از ترهالوز برای بقا و عملکرد خود استفاده می‌کنند.

۵.۱ در باکتری‌ها

بسیاری از باکتری‌ها ترهالوز را در پاسخ به استرس‌های اسمزی، حرارتی و اکسیداتیو تولید می‌کنند. در باکتری‌هایی مانند اشرشیا کلی (Escherichia coli) و مایکوباکتریوم توبرکلوزیس (Mycobacterium tuberculosis)، ترهالوز نه تنها به‌عنوان یک عامل محافظ در برابر تنش عمل می‌کند، بلکه جزئی از ساختار پوشش سلولی در گونه‌های بیماری‌زا نیز هست.

در M. tuberculosis، ترهالوز پیش‌ساز ترکیبی به‌نام ترهالوز دیمایکولات (TDM) یا همان فاکتور کورد (cord factor) است، که یک گلیکولیپید حیاتی برای بیماری‌زایی و یکپارچگی دیواره سلولی محسوب می‌شود. ترهالوز به این باکتری‌ها کمک می‌کند تا در برابر خشکی و سیستم ایمنی بدن میزبان مقاومت کنند.

علاوه بر این، در باکتری‌های خاکزی مانند ریزوبیوم (Rhizobium) و آزوسپیریلوم (Azospirillum)، تجمع ترهالوز باعث افزایش بقا در شرایط خشکسالی و شوری شده و به تشکیل رابطه همزیستی با گیاهان کمک می‌کند.

۵.۲ در قارچ‌ها

قارچ‌هایی مانند ساکارومایسس سرویزیه (Saccharomyces cerevisiae) و گونه‌های آسپرژیلوس (Aspergillus) در هنگام گرسنگی غذایی، شوک حرارتی یا استرس اکسیداتیو، ترهالوز را در خود تجمع می‌دهند. در مخمرها، سنتز و تجزیه ترهالوز به‌طور دقیق توسط آنزیم‌هایی مانند ترهالوز-۶-فسفات سنتاز (TPS1) و ترهالاز (NTH1) تنظیم می‌شود.

ترهالوز در قارچ‌ها به‌عنوان کربوهیدرات ذخیره‌ای و نیز پایدارکننده‌ی پروتئین‌ها و غشاها در برابر خشکی و گرما عمل می‌کند. همچنین باعث افزایش قابلیت زنده‌مانی هاگ‌ها (spores) و کارایی جوانه‌زنی آن‌ها می‌شود که به موفقیت زیست‌محیطی بسیاری از قارچ‌ها کمک می‌کند.

۵.۳ در گیاهان

اگرچه میزان ترهالوز در بیشتر گیاهان عالی کم است، اما پیش‌ساز متابولیکی آن به نام ترهالوز-۶-فسفات (T6P) نقش بسیار مهمی در تنظیم متابولیسم کربن، رشد و توسعه گیاه ایفا می‌کند.

در گیاهان مهندسی‌شده ژنتیکی که سطوح بالاتری از ترهالوز دارند، تحمل به خشکسالی، شوری و سرما بهبود یافته است. برای مثال، بیان ژن‌های TPS و TPP (ترهالوز-۶-فسفات فسفاتاز) از میکروارگانیسم‌ها در گیاهانی مانند برنج، ذرت و گوجه‌فرنگی باعث افزایش مقاومت به تنش بدون کاهش عملکرد محصول شده است.

علاوه بر این، T6P در مسیرهای سیگنال‌دهی قندی نیز نقش دارد و بر زمان گلدهی، سنتز نشاسته و تعادل انرژی اثرگذار است.

۵.۴ در بی‌مهرگان و جانوران

ترهالوز قند اصلی خون در بسیاری از بی‌مهرگان، به‌ویژه حشرات و نماتدها است. در گونه‌هایی مانند مگس سرکه (Drosophila melanogaster) و کرم الگانس (Caenorhabditis elegans)، ترهالوز نقش حمایتی در متابولیسم انرژی و محافظت در برابر خشکی و شوک حرارتی ایفا می‌کند.

در حشرات، ترهالوز در بافت چربی سنتز شده و از طریق همولنف (مایع مشابه خون) به بافت‌های مختلف منتقل می‌شود. این قند به فعالیت پروازی، دیاپاز (نوعی خواب زمستانی یا رکود فصلی) و سازگاری با محیط‌های سرد کمک می‌کند.

برخی از بی‌مهرگان، مانند آرتمیا (میگوی آب شور) و تاردیگریدها (خرس آبی) به‌شدت به ترهالوز متکی هستند تا بتوانند خشک‌شدگی کامل بدن خود را تحمل کنند—پدیده‌ای که به آن آنیدروبایوز (anhydrobiosis) گفته می‌شود. در این حالت، ترهالوز با شیشه‌ای کردن (vitrification) اجزای سلولی، ساختار آن‌ها را تا زمان بازآب‌رسانی حفظ می‌کند.

اگرچه مهره‌داران از جمله انسان‌ها به‌طور طبیعی ترهالوز نمی‌سازند، اما نقش‌های محافظتی ترهالوز در موجودات پایین‌تر الهام‌بخش استفاده از آن در کاربردهای پزشکی مانند سرما‌نگهداری سلول‌ها (cryopreservation) و محافظت عصبی (neuroprotection) شده است.

۶. تولید صنعتی ترهالوز

تولید ترهالوز از روش‌های پیچیده‌ی شیمیایی به روش‌های آنزیمی و میکروبی کارآمدتر تغییر یافته است. این پیشرفت‌ها امکان تولید صنعتی با صرفه‌ی اقتصادی را فراهم کرده‌اند؛ به‌ویژه برای کاربردهای غذایی و دارویی.

۶.۱ روش‌های آنزیمی

روش آنزیمی امروزه رایج‌ترین و کارآمدترین روش تولید صنعتی ترهالوز محسوب می‌شود. در این روش، تبدیل دو مرحله‌ای از نشاسته یا مالتودکسترین انجام می‌گیرد:

۱. آنزیم مالت‌الیگوزیل‌ترهالوز سنتاز (MTSase) مالتودکسترین را به مالت‌الیگوزیل‌ترهالوز تبدیل می‌کند.
۲. آنزیم مالت‌الیگوزیل‌ترهالوز ترهالوهیدرولاز (MTHase) این ماده‌ی واسط را به ترهالوز آزاد تبدیل می‌کند.

این فرایند به دلیل استفاده از مواد اولیه‌ی ارزان و تجدیدپذیر مانند نشاسته، بازده بالا و سازگاری با محیط زیست مزایای زیادی دارد. شرکت ژاپنی Hayashibara نخستین بار این روش را توسعه داد و همچنان پیشرو در تولید صنعتی ترهالوز است.

۶.۲ تخمیر میکروبی

برخی میکروارگانیسم‌ها به طور طبیعی ترهالوز تولید می‌کنند. از این موجودات یا نسخه‌های مهندسی‌شده‌ی آن‌ها می‌توان برای تولید از طریق تخمیر میکروبی بهره گرفت. نمونه‌هایی از این میکروارگانیسم‌ها شامل گونه‌هایی از Corynebacterium، Bacillus و مخمرها هستند. این روش قابلیت مقیاس‌پذیری بالایی دارد و با زیرساخت‌های بیوتکنولوژی موجود قابل تلفیق است، اما نیازمند بهینه‌سازی سویه‌ها و کنترل دقیق شرایط محیطی است.

۶.۳ سنتز شیمیایی (مرور تاریخی)

در گذشته تلاش‌هایی برای تولید ترهالوز از طریق سنتز شیمیایی انجام شد. این روش‌ها شامل واکنش‌های گلیکوزیلاسیون با شرایط سخت و مراحل جداسازی پیچیده بودند که باعث بازده پایین و هزینه‌های زیاد می‌شدند. اگرچه این روش‌ها در تحقیقات مفیدند، اما به دلیل عدم صرفه اقتصادی برای تولید در مقیاس صنعتی مناسب نیستند.

۷. کاربردهای ترهالوز در صنعت غذا

ترهالوز به دلیل ویژگی‌های منحصر به‌فرد فیزیکی و شیمیایی در صنعت غذا بسیار مورد توجه قرار گرفته است. این قند نه‌تنها به عنوان شیرین‌کننده، بلکه به عنوان ماده‌ای چندمنظوره در بهبود کیفیت محصولات غذایی کاربرد دارد.

۷.۱ به عنوان شیرین‌کننده

ترهالوز دارای ۴۵٪ شیرینی ساکارز است و طعمی ملایم و پاک بدون پس‌مزه‌ی ناخوشایند دارد. این قند غیر پوسیدگی‌زا (non-cariogenic) است، یعنی باعث پوسیدگی دندان نمی‌شود، و شاخص گلیسمی پایینی دارد؛ بنابراین گزینه‌ای مناسب برای محصولات غذایی دیابتی‌ها و افراد سلامت‌محور به‌شمار می‌رود.

۷.۲ افزایش ماندگاری

ترهالوز باعث افزایش طول عمر مفید محصولات غذایی می‌شود، زیرا از تخریب پروتئین‌ها و ساختار سلولی جلوگیری می‌کند. این خاصیت به‌ویژه در فرایندهای خشک‌کردن انجمادی و کم‌آبی اهمیت دارد.

۷.۳ بهبود بافت

در صنایع نان و شیرینی، ترهالوز با حفظ رطوبت، جلوگیری از تبلور سایر قندها و پایداری ساختار نشاسته و پروتئین‌ها باعث بهبود بافت می‌شود. نتیجه، محصولاتی نرم‌تر و با حس دهانی بهتر هستند.

۷.۴ کاربرد در نان، کیک و شیرینی

ترهالوز در انواع محصولات نانوایی (کیک، نان، شیرینی) و شیرینی‌جات (شکلات، پاستیل، مارشمالو) استفاده می‌شود. این قند موجب بهبود فرم‌پذیری خمیر، جلوگیری از بیات‌شدن و حفظ تازگی در طول زمان نگهداری می‌شود. در شکلات، مانع از ایجاد شکر بلوم (sugar bloom) شده و پایداری قفسه‌ای را افزایش می‌دهد.

۸. کاربردهای ترهالوز در داروسازی و پزشکی

به دلیل خواص محافظتی فوق‌العاده، ترهالوز در فرمولاسیون داروها و درمان‌های پزشکی کاربرد روزافزون دارد.

۸.۱ پایدارسازی داروها

ترهالوز به عنوان اگزپی‌ینت (کمک‌دارو) در داروها، آنزیم‌ها، واکسن‌ها و پروتئین‌های درمانی استفاده می‌شود. این قند از تجمع و تغییر ساختاری پروتئین‌ها در حین تولید، ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل جلوگیری می‌کند.

۸.۲ حفظ بافت‌ها در سرمای شدید (Cryopreservation)

یکی از مهم‌ترین کاربردهای زیست‌پزشکی ترهالوز، استفاده از آن در نگهداری سلول‌ها، بافت‌ها و اندام‌ها در دمای پایین است. ترهالوز با محافظت از غشاهای سلولی و ساختارهای درون‌سلولی، موجب افزایش زنده‌مانی و کاهش آسیب‌های ناشی از انجماد می‌شود.

۸.۳ محلول‌های چشمی

ترهالوز در ترکیب برخی قطره‌های چشمی برای درمان خشکی چشم، استرس اکسیداتیو و التهاب‌های مزمن به کار می‌رود. این قند دارای خواص اسمولیتی محافظ (osmoprotective) و آنتی‌اکسیدانی است که به حفظ سلامت سطح چشم کمک می‌کند.

۸.۴ نقش در بیماری‌های عصبی-تحلیل‌برنده

تحقیقات اخیر نشان داده‌اند که ترهالوز ممکن است در درمان بیماری‌های عصبی-تحلیل‌برنده مانند آلزایمر، پارکینسون و هانتینگتون مؤثر باشد. این قند باعث فعال‌سازی اتوفاژی (فرایند پاک‌سازی سلولی) می‌شود که به حذف پروتئین‌های تجمع‌یافته (ویژگی اصلی این بیماری‌ها) کمک می‌کند. در حال حاضر ترهالوز به عنوان ماده‌ای با اثرات محافظ عصبی (neuroprotective) در مطالعات پیش‌بالینی و بالینی در حال بررسی است.

۹. کاربردهای ترهالوز در آرایشی-بهداشتی

Moisture Retention (حفظ رطوبت)

ترهالوز به‌عنوان یک عامل رطوبت‌گیر (humectant) عمل می‌کند و ساختاری مشابه فاکتورهای مرطوب‌کننده طبیعی پوست دارد
می‌تواند آب را در لایه شاخی پوست نگه دارد، ‌چین‌وچروک را کاهش داده و احساس نرمی و طراوت فراهم کند .

Anti‑aging Properties (خواص ضد پیری)

ترهالوز از ساختار سلولی در برابر استرس اکسیداتیو و آسیب UV محافظت می‌کند، با کاهش فعالیت آنزیم‌هایی مانند MMP‑1 که به تخریب کلاژن منجر می‌شوند .
به‌واسطهٔ خاصیت آنتی‌اکسیدانی، می‌تواند نشانه‌های پیری پوست را به تأخیر اندازد .

Skin Protection and Repair (محافظت و ترمیم پوست)

ترهالوز می‌تواند اتوفاژی سلولی را در کراتینوسیت‌ها فعال کند، که منجر به کاهش آسیب سلولی و افزایش رگ‌زایی می‌شود .
عملکرد ضدالتهاب و تسکین‌دهنده در پوست‌های حساس، خشک یا آسیب‌دیده دارد و برای مشکلاتی مثل اکزما، پسوریازیس و درماتیت اثربخش است .
نقش مهمی در ترمیم زخم‌ها و فرآیند آبرسانی عمقی پوست دارد .

۱۰. ترهالوز در بیوتکنولوژی و زیست‌نگهداری (Biopreservation)

Enzyme and Vaccine Stabilization (پایداری آنزیم و واکسن)

از ترهالوز به‌عنوان اگزپی‌ینت پایدارکننده در فرمولاسیون واکسن‌ها، پروتئین‌ها و آنزیم‌ها استفاده می‌شود؛ این قند از تجمع و دناتوراسیون در زمان تولید، ذخیره و حمل‌ونقل جلوگیری می‌کند .

Protein Folding and Protection (تاخوردگی صحیح پروتئین‌ها)

ترهالوز از تاخوردگی اشتباه و تجمع پروتئینی محافظت می‌کند؛ چنین عملکردی در تولید بیوفارماسیوتیک‌ها بسیار حائز اهمیت است .

Cell and Tissue Preservation (نگهداری سلول‌ها و بافت‌ها)

در فرایندهای cryopreservation سلول‌ها و بافت‌ها، ترهالوز یک نقش کلیدی در حفظ غشاها و ساختارهای درون‌سلولی ایفا می‌کند؛ این ویژگی باعث افزایش زنده‌مانی پس از انجماد و ذوب میشود .

۱۱. ترهالوز و سلامت انسان

Digestion and Metabolism (هضم و متابولیسم)

در انسان و پستانداران، ترهالوز با آنزیمی به‌نام ترهالاز به دو گلوکز تبدیل می‌شود. کمبود این آنزیم نادر است (مانند آنچه در جمعیت ساکن گرینلند دیده شده) و منجر به ناراحتی‌های گوارشی می‌گردد .

Trehalase Enzyme and Intolerance (ترهالاز و عدم تحمل)

فقدان ترهالاز می‌تواند باعث تهوع و ناراحتی گوارشی شود، اگرچه شیوع بسیار پایین است .

Glycemic Index and Diabetic Safety (شاخص گلیسمی)

ترهالوز شاخص گلیسمی پایینی دارد و افزایش تدریجی قند خون را ایجاد می‌کند، که آن را برای استفاده در رژیم دیابتی مناسب می‌سازد .

Potential Role in Gut Microbiota Modulation (نقش احتمالی در روده)

تحقیقات اولیه نشان داده‌اند ترهالوز ممکن است به‌عنوان پری‌بیوتیک عمل کرده و به بهبود سلامت میکروبیوم روده کمک کند .

۱۲. کاربردهای محیطی (Environmental Applications)

Desiccation Tolerance in Crops (تحمل خشکی در گیاهان)

ترهالوز می‌تواند به افزایش مقاومت گیاهان نسبت به خشکی، شوری و سرما کمک کند، به‌خصوص وقتی از طریق مهندسی ژنتیک سطح آن در گیاهان افزایش می‌یابد.

Drought‑resistant Engineering (مهندسی مقاومت به خشکی)

گیاهان اصلاح‌شده مانند برنج، ذرت و گوجه‌فرنگی که ژن‌های TPS و TPP را بیان می‌کنند، مقاومت به خشکی را بدون کاهش عملکرد نشان داده‌اند.

Bioremediation and Soil Health (بازتوانی محیط و سلامت خاک)

تجمع ترهالوز در باکتری‌های خاکزی ممکن است ثبات میکروبی را در شرایط تنش بالا ببرد، اما پژوهش‌های بیشتری در این زمینه نیاز است.

۱۳. جنبه‌های نظارتی و ایمنی (Regulatory & Safety Aspects)

GRAS Status and FDA Approvals

آژانس دارویی آمریکا (FDA) ترهالوز را در سال ۲۰۰۰ در گروه GRAS قرار داد، و اکنون در هزاران محصول غذایی استفاده می‌شود .

EFSA Regulations

سازمان ایمنی غذا در اتحادیه اروپا (EFSA) نیز ترهالوز را برای کاربردهای مشابه تایید کرده است.

Toxicological Studies and Human Trials

تا کنون، هیچ نگرانی ایمنی جدی برای مصرف انسانی در دوزهای متداول گزارش نشده و مطالعات فاز انسانی خواص ضد پیری، بهبود گلوکز خون و سلامت روده را بررسی کرده‌اند .

۱۴. تجزیه‌وتحلیل اقتصادی و بازار (Economic & Market Analysis)

Global Production Trends (روند تولید جهانی)

تولید صنعتی ترهالوز از دهه ۱۹۹۰ در ژاپن آغاز شد و اکنون بازار رو به رشد جهانی دارد .

Market Leaders and Producers (شرکت‌های کلیدی)

شرکت‌هایی مانند Hayashibara (ژاپن) و برندهای آرایشی مانند La Roche‑Posay، COSRX و Dr. Jart+ از مصرف‌کنندگان مطرح محسوب می‌شوند

Forecast and Growth Potential (پیش‌بینی و رشد بازار)

افزایش تقاضا در صنایع غذا، دارو، آرایشی و سلامت نشان‌دهنده یک رشد پایدار برای بازار ترهالوز در سال‌های آینده است.

۱۵. چالش‌ها در کاربرد ترهالوز (Challenges in Application)

Cost of Production (هزینه تولید)

اگرچه تولید آنزیمی و میکروبی مقرون‌به‌صرفه‌تر از روش شیمیایی است، اما هزینه‌های بررسی آنزیم، بهینه‌سازی سویه و زیرساخت‌ها همچنان بالا باقی‌ مانده‌اند.

Scale‑up and Commercial Viability (قابلیت مقیاس‌پذیری)

تولید در مقیاس بزرگ نیازمند سرمایه‌گذاری، کنترل کیفیت مداوم و رعایت استانداردهای غذایی و دارویی است.

Stability and Storage Issues (پایداری و نگهداری)

اگرچه ترهالوز بسیار پایدار است، نگهداری بلندمدت آن نیازمند شرایط خشک و محافظت شده است تا از جذب آب یا رشد میکروبی جلوگیری شود.

کاربردهای ترهالوز در آزمایشگاه

1. پایدارسازی پروتئین در محلول و فرآیند فریز-خشک (Lyophilization)

ترهالوز به‌طور گسترده‌ای برای محافظت از پروتئین‌ها در مراحل خالص‌سازی، نگهداری و خشک‌کردن انجمادی استفاده می‌شود. در این مراحل، پروتئین‌ها ممکن است به دلیل استرس محیطی مانند کم‌آبی یا تغییر دما، دناتوره، تجمع یافته یا فعالیت خود را از دست بدهند.

مکانیسم عمل: ترهالوز با ایجاد پیوندهای هیدروژنی با گروه‌های قطبی سطح پروتئین‌ها، جایگزین پیوندهای آبی معمول می‌شود. این تعامل منجر به تشکیل ماتریکس شیشه‌ای می‌شود که ساختار پروتئین را در برابر آسیب حفظ می‌کند.

مثال علمی: در تولید انسولین انسانی نوترکیب، نشان داده شده که ترهالوز ساختار سوم پروتئین را حفظ کرده و از تجمع آن در طول خشک‌کردن و نگهداری طولانی‌مدت جلوگیری می‌کند (Mensink و همکاران، 2017). به همین دلیل، ترهالوز یک ماده جانبی (excipent) ترجیحی در فرمولاسیون داروهای پروتئینی است.

2. نگهداری سلول‌ها و بافت‌ها در دمای پایین (Cryopreservation)

ترهالوز به عنوان یک کرایوپروتکتانت برای کاهش آسیب به سلول‌ها هنگام انجماد و ذوب به کار می‌رود؛ فرایندی حیاتی برای حفظ سلول‌های بنیادی، رده‌های سلولی و بافت‌ها.

مکانیسم عمل: ترهالوز از تشکیل بلورهای یخ داخل سلول جلوگیری کرده و شوک اسمزی را کاهش می‌دهد. همچنین با ایجاد یک ماتریکس شیشه‌ای از غشاها و پروتئین‌ها محافظت می‌کند.

مثال علمی: در سلول‌های T Jurkat، استفاده از ترهالوز به همراه الکتروپوریشن (برای ورود ترهالوز به درون سلول) منجر به افزایش بقای سلول‌ها پس از انجماد و ذوب شد (Beattie و همکاران، 2017). ترهالوز همچنین در حفظ سلول‌های بنیادی خون‌ساز با افزایش تشکیل کلونی پس از ذوب مؤثر بوده است.

3. نگهداری DNA و RNA

ترهالوز برای نگهداری اسیدهای نوکلئیک در کیت‌های تشخیصی خشک و ذخیره‌سازی در دمای محیط استفاده می‌شود.

مکانیسم عمل: ترهالوز با پایداری ستون فقرات قندی-فسفاتی DNA و RNA، از هیدرولیز و اکسیداسیون آنها جلوگیری می‌کند.

مثال علمی: ترهالوز در نگهداری آنزیم Taq Polymerase و مخلوط PCR استفاده شده است. Gao و همکاران (2009) نشان دادند که Taq polymerase در حضور ترهالوز برای بیش از یک سال فعال باقی می‌ماند، که این امر در تشخیص‌های میدانی و کیت‌های بدون نیاز به یخچال بسیار ارزشمند است.

4. پایدارسازی آنزیم‌ها

بسیاری از آنزیم‌ها در طول خشک‌سازی، نگهداری یا حرارت‌دهی، فعالیت خود را از دست می‌دهند. ترهالوز با حفظ ساختار فعال آنزیم در محیط‌های مایع یا جامد، عملکرد آن‌ها را حفظ می‌کند.

مکانیسم عمل: ترهالوز یک لایه آبرسان محافظ در اطراف آنزیم تشکیل داده و از باز شدن یا تغییر ساختار آن جلوگیری می‌کند.

مثال علمی: در مطالعه‌ای روی آنزیم β-galactosidase، مشخص شد که در حضور ۵ تا ۱۰ درصد ترهالوز، آنزیم پس از ۶ ماه فریز-خشک شدن، بیش از ۹۰٪ فعالیت خود را حفظ کرده است (Crowe و همکاران، 2001).

5. مطالعه اتوفاژی در زیست‌شناسی سلولی

ترهالوز در تحقیقات زیستی به‌عنوان فعال‌کننده مسیر اتوفاژی مستقل از mTOR مورد استفاده قرار می‌گیرد، به‌ویژه در مطالعات مربوط به بیماری‌های عصبی.

مکانیسم عمل: ترهالوز باعث افزایش تولید لیزوزوم و افزایش جریان اتوفاژی بدون مهار مسیر mTOR می‌شود.

مثال علمی: در مدل بیماری پارکینسون، درمان سلول‌های عصبی با ترهالوز منجر به افزایش حذف پروتئین تجمع‌یافته α-synuclein و کاهش سمیت سلولی شد (Sarkar و همکاران، 2007). ترهالوز به‌صورت درون‌کشتگاهی (in vitro) برای بررسی نقش اتوفاژی در بقاء سلولی و پاکسازی پروتئین‌های نادرست استفاده می‌شود.

6. افزودنی در محیط کشت سلولی

ترهالوز می‌تواند به محیط کشت سلول‌ها افزوده شود تا در شرایط استرس‌زا مانند محیط بدون سرم یا استرس اکسیداتیو، بقاء سلولی را افزایش دهد.

مکانیسم عمل: این قند به‌عنوان یک محافظ اسمزی و آنتی‌اکسیدان عمل کرده، یکپارچگی غشاء را حفظ کرده و گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) را کاهش می‌دهد.

مثال علمی: در سلول‌های تخم همستر چینی (CHO)، افزودن 100 میلی‌مولار ترهالوز به محیط کشت باعث کاهش مرگ سلولی و افزایش زنده‌مانی تحت استرس اکسیداتیو شد (Li و همکاران، 2011).

7. تحمل خشکی در بایوسنسورها

ترهالوز امکان نگهداری طولانی‌مدت بایوسنسورها (حسگرهای زیستی) را در حالت خشک و بدون نیاز به یخچال فراهم می‌کند.

مکانیسم عمل: ترهالوز اجزای زیستی مانند آنزیم‌ها و آنتی‌بادی‌ها را شیشه‌ای (vitrified) می‌کند تا ساختار و عملکرد آنها در حالت خشک حفظ شود.

مثال علمی: در بایوسنسورهای بر پایه گلوکز اکسیداز، استفاده از ترهالوز موجب شد تا این ابزارها بیش از ۶ ماه در دمای محیط عملکرد خود را حفظ کنند (Zhou و همکاران، 2014). این ویژگی، آنها را برای تشخیص‌های میدانی و استفاده در مناطق کم‌منبع بسیار مناسب می‌سازد.

8. پایدارسازی ویروس‌ها و واکسن‌ها

ترهالوز در فرمولاسیون واکسن‌ها برای پایدارسازی ویروس‌ها هنگام فریز-خشک شدن یا خشک‌سازی اسپری استفاده می‌شود و پایداری حرارتی آنها را افزایش می‌دهد.

مکانیسم عمل: ترهالوز با تشکیل پیوندهای هیدروژنی با پروتئین‌ها و غشاهای ویروسی، از تجمع و دناتوره شدن آنها جلوگیری می‌کند.

مثال علمی: واکسن‌های آنفلوآنزا که با ترهالوز پایدار شده بودند، پس از ۶ ماه نگهداری در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد، همچنان خواص آنتی‌ژنی و ایمنی‌زایی خود را حفظ کردند (Leung و همکاران، 2020). این ویژگی در توزیع واکسن در مناطق با امکانات سردخانه‌ای محدود بسیار حیاتی است.