av Sarah Séité och Karthik Masagounder, Evonikand Stéphane Panserat och Iban Seiliez, Universitetet i Pau och Pays de l'Adour, Frankrike

Vattenbruksnäringens hållbarhet beror på hur effektiva vi är i att använda tillgängliga resurser för att förse en ökande befolkning med prisvärt och näringsrikt protein. Enkelt uttryckt, vi måste producera mer och bättre, med mindre.

Det finns, därför, en viktig möjlighet för industrin och den akademiska världen att arbeta tillsammans om specifikationerna för fiskfoderformler som kostnadseffektivt optimerar fiskens näring och hälsa under hela produktionscykeln, till exempel, använder metionin.

Ändra dieter

Moderna vattenbruksdieter produceras med lågt eller inget fiskmjöl och högre mängder växtproteinkällor. Denna förändring i dietformuleringar resulterar i att metionin vanligtvis är den första begränsande aminosyran – en som finns i otillräckliga mängder i ett livsmedel – i fisk- och räkordieten.

Metionin har en central roll som byggsten i proteinsyntes, tillsammans med flera andra funktioner. Ny forskning visar att det är en nyckelregulator för antioxidantförsvar, immunsvar, fiskens övergripande hälsostatus och kolhydrat- och lipidmetabolism. Dessutom, som en prekursor för S-adenosylmetionin (SAM) och S-adenosylhomocystein (SAH), metionin kan modulera uttrycket av gener relaterade till tillväxt och hälsa hos djur genom DNA-metyleringsreaktioner.

Proteinomsättning

Inuti kroppen av fisk och räkor, proteinmassaökning är nettovinsten av kroppsproteinavlagring jämfört med proteinförlust, under den biologiska process som kallas "proteinomsättning". Detta är en kontinuerlig process i alla vävnader, involverar både proteinsyntes och proteinnedbrytning (proteolys).

Proteinomsättningen påverkas av kostens näringssammansättning och djurens näringsstatus. För ett växande djur, det är viktigt att hålla kosten balanserad för aminosyror, samtidigt som den ger tillräckligt med energi från icke-proteinenergikällor.

Kommersiella foderproducenter har funnit att tillskott av metioninnivåer i vattenfoder resulterar i bättre djurproduktion. Nyligen genomförda studier på fisk har visat att metioninbrist modulerar en viktig intracellulär signalväg, vilket resulterar i ökat uttryck av flera gener involverade i proteinnedbrytning och hämning av proteinsyntes.

Till exempel, en diet med metioninbrist (formulerad för att ge 32 procent mindre metionin än den normala kosten) hos regnbåge (40 g, initial kroppsvikt) visades påverka fosforyleringen av translationsinitieringsfaktor (eif2α), och inducerar uttrycket av flera faktorer involverade i de två huvudsakliga muskelproteolytiska vägarna (proteasom och autofagi).

Övergripande, nyare studier har förbättrat vår förståelse av metionins roll i fisktillväxt på cellnivå. Detta har gett viktiga biomarkörer för att bedöma fiskens prestanda i diet med metioninbrist.

Oxidativ stress

Intensiv odling blir allt vanligare för att möta den växande efterfrågan på global fiskkonsumtion. Enligt denna metod, djur utsätts ofta för olika biotika (t.ex. hög djurtäthet, patogenexponering) och abiotika (t.ex. dålig vattenkvalitet, transport, obalanserad kost) stressfaktorer.

Dessa leder till konstant produktion av reaktiva syreämnen (ROS).ROS är i grunden kemiska ämnen som innehåller syre (t.ex. superoxid, Väteperoxid, hydroxiradikaler) och ger upphov till reaktiva fria radikaler (molekyler med oparade elektroner). Dessa fria radikaler deltar i oxidativa reaktioner som skadar biologiska molekyler som lipider, proteiner och djurens DNA. Djur utsätts för oxidativ stress när de inte har kapacitet att avgifta de fria radikalerna eller att reparera skadan som uppstår.

Metionin är en viktig förening för värdens försvar mot oxidativ stress. Det hjälper till att bilda glutation (GSH) och taurin; viktiga föreningar för värdens försvar mot oxidativ stress.Metionin oxideras också lätt av ROS, bildar metioninsulfoxid, som lätt kan repareras med metioninsulfoxidreduktas. Det utgör därför en viktig antioxidantförsvarsmekanism som kan spela en roll vid redoxsignalering; en form av cellulär kommunikation.

Flera studier har visat att metioninbrist i kosten kan minska reservoarerna av GSH, den viktigaste intracellulära antioxidanten, och sålunda, öka oxidativa skador i flera vävnader. Gul havskatt som fick en diet med metioninbrist (formulerad för att ge 37 procent mindre metionin än den normala kosten) uppvisade peroxidativ skada av ROS, åtföljd av en ökning av antioxidantenzymaktiviteter (SOD och GPX), indikerar metioninbrist i kost som orsakar oxidativ stress hos den gula havskatten.

I kontrast, en tidigare studie visade att metioninrestriktion i kosten (formulerad för att ge 45 procent mindre metionin än kontrollen) inte påverkar mängden totalt glutation i levervävnaden hos ung lax under laboratorieförhållanden.

Forskning har också visat att metioninbrist i kosten (formulerad för att ge 55 procent mindre metionin än kontrollen), minskad oxidativ status i levern hos regnbåge. Detta indikerar att de negativa effekterna av metioninbrist på fiskens oxidativa status beror på faktorerna, inklusive nivå av metioninbrist, i förhållande till djurets behov och nivån av oxidativ stress. Faktorer, inklusive fiskens livsstadium, produktionsintensitet och odlingsförhållanden kan alla påverka oxidativ stress. Under intensiva jordbruksförhållanden, där djur är benägna att utsättas för oxidativ stress, metioninbehovet för fisk och räkor kan vara högre än de värden som bestämts under gynnsamma laboratorieförhållanden.

Immunsvar

Brist på vissa aminosyror har varit känt för att försämra immunförsvaret och öka djurens mottaglighet för infektionssjukdomar. Aminosyror påverkar immunsvaret hos ett djur, antingen direkt eller indirekt, genom sina metaboliter.

Metioninbrist i kosten har visat sig minska det medfödda immunsvaret och därmed skyddet mot infektion av bakterier (A hydrophila) hos unga gul havskatt.

Dessutom, under infektion eller inflammation, fiskar som utfodras med metionintillskott är bättre skyddade mot mikroorganismer (som bakterier) och bakteriedödande aktiviteter. Detta svar kan bero på metionins roll på cellproliferation.

Intermediär metabolism

Levern är huvudplatsen för intermediär metabolism (inklusive, lipider och kolhydratmetabolism). Leveruttryck av gener involverade i lipogenes och glukoneogenes har visat sig svara på metionin-obalanser i kosten hos fisk. Dessa störningar återspeglas också i fisk på fenotypnivå. När laxfiskar fick dieter med låg metionin, hepatictriglyceride(TAG)-ackumulering registrerades. Man tror att leverTAG-ackumulering, efter dieter med låg metionin, beror på den minskade tillgängligheten av fosfatidylkolin involverat i transporten av lipider från levern till de perifera organen.

Fosfatidylkolin syntetiseras från fosfatidyletanolamin, där SAM, framställd av metionin, fungerar som en viktig metyldonator. Därför, Metioninbrist kan påverka den endogena syntesen av fosfatidylkolin.

En annan hypotes är att metioninbrist kan minska tillgängligheten av taurin, som är en viktig prekursor i syntesen av gallsalt (taurocholsyra). Gallsalt är mycket viktigt för matsmältningen och absorptionen av fett och fettlösliga vitaminer.

Dessutom, gallsyrasyntes är huvudvägen för kolesterolmetabolism, eftersom ungefär hälften av det kolesterol som produceras i kroppen används för gallsyrasyntes. Övergripande, metionin har viktiga roller i den korrekta intermediära metabolismen av näringsämnen, och långvarig brist på metionin kan vara skadligt för fiskens tillväxt och hälsa.

Näringsprogrammering

Tidiga näringshändelser som utövas under kritiska utvecklingsperioder kan resultera i permanenta förändringar i djurens senare liv, nämligen att påverka deras tillväxtpotential, hälsa och metabolisk status. Dessa händelser är resultatet av den så kallade näringsprogrammeringen och öppnar ett nytt forskningsfält och möjligheter för att optimera näring och hälsa hos lantbruksdjur, med uppenbara ekonomiska konsekvenser.

Näringsprogrammering, genom epigenetiska mekanismer för metyleringsreaktioner, såsom DNA- och histonmetylering, är direkt beroende av SAM, och därmed av dess huvudsakliga prekursor:metionin. Dietära metioninnivåer och deras tillräcklighet för att uppfylla djurens krav i tidiga skeden, kan därför utgöra en kritisk faktor för att modulera djurs fenotyp under hela deras produktionscykel.

Nyligen genomförda studier med regnbåge visar att utfodring av stambestånd med dieter som begränsar metionin till 50 procent påverkar olika egenskaper hos avkomman, av vilka några kvarstod under de första veckorna av exogen utfodring. Huruvida epigenetiska mekanismer ligger bakom dessa effekter, kräver ytterligare utredning.

Övergripande hälsa

Metioninbrist kan ha olika effekter på den allmänna hälsan. Metioninbrist kan leda till utveckling av grå starr hos flera fiskarter, t.ex. regnbågsforell, hybridrandig bas och röding. Även om mekanismen bakom detta inte är väl förstådd, man tror att glutation syntetiseras endogent från metionin eller cystein, kommer sannolikt att spela en roll för att förhindra bildandet av disulfidbindningar som leder till olösligheten av linsprotein och utvecklingen av okulär opacitet.

Dessutom, metionin har visat sig spela en roll för tarmhälsan hos jian karp. Mikrobiella populationer i matsmältningskanalen hos fisk (som Firmicutes) har visat sig vara nära korrelerade till fiskens hälsa och näring.

Bakterier i fiskens matsmältningskanal kan utsöndra matsmältningsenzymer, som främjar matsmältningen av näringsämnen och syntetiserar näringsämnen som fisken behöver. Det har också visat sig att metionin kan påverka balansen i tarmmikrofloran genom att främja tillväxten av nyttiga bakterier och hämma tillväxten av skadliga bakterier.

Att förändra hur vi ser på metionin näring och fiskhälsa

Med tanke på antalet metabola vägar som kräver metionin och/eller derivat, det är inte förvånande att metionin i kosten inte bara påverkar tillväxten utan även metabolismen och fiskens allmänna hälsotillstånd.

Bevisen på den funktionella roll som metionin spelar i fisk växer och tyder på att vi måste ändra vårt sätt att se på metionin näring och fiskens hälsa. Det har bevisats att det första utfodringen hos fisk är ett kritiskt fönster för näringsprogrammering och att det finns en positiv inverkan av tidig utfodring av en växtbaserad kost på dess framtida acceptans och användning.

Arbetar tillsammans, industri och akademi behöver fastställa om det är möjligt att programmera framtida tillväxt och hälsa för odlad fisk genom optimerad näring. Och, om så är fallet, de svarskriterier som bör (om)övervägas för att definiera metionin (näringsämnen) rekommendationer som bäst optimerar näring och hälsa för fisk.

https://corporate.evonik.com