Vitaminas K₂ nauju būdu: kaip „sūrio“ mikrobas išmokė mokslininkus gaminti vitaminus pigesnius ir ekologiškesnius

Rice universiteto komanda išsiaiškino, kodėl bakterijos Lactococcus lactis (toks pat saugus sūrių ir kefyro „darbinis arkliukas“) atkakliai atsisako gaminti per daug vitamino K₂ pirmtako – ir kaip atsargiai „pašalinti ribotuvus“. Paaiškėjo, kad ląstelės balansuoja tarp naudos (chinonai reikalingi energijai) ir toksiškumo (jų perteklius sukelia oksidacinį stresą). Mokslininkai surinko itin jautrų biosensorių, „įmetė laidus“ į sintezės kelius ir sujungė matematinį modelį. Išvada: vienu metu trukdo dvi „užuolaidos“ – integruotas kelio reguliavimas ir pradinio substrato nebuvimas; be to, svarbi net genų tvarka DNR. Jei kartu sureguliuosite tris rankenėles (substratas → fermentai → genų tvarka), išvesties lubas galima padidinti. Darbas buvo paskelbtas žurnale „mBio“ 2025 m. rugpjūčio 11 d.

Tyrimo kontekstas

• Kodėl visiems reikia vitamino K₂? Menachinonai (vitaminas K₂) yra svarbūs kraujo krešėjimui, kaulų sveikatai ir tikriausiai kraujagyslėms. Maisto papildų paklausa auga, o klasikinė cheminė sintezė yra brangi ir ne pati ekologiškiausia. Logiškas sprendimas – gaminti K₂ fermentacijos būdu su saugiomis maistinėmis bakterijomis.
• Kodėl Lactococcus lactis? Tai pieno pramonės „darbinis arkliukas“, turintis GRAS statusą. Jį lengva auginti, jis saugus ir jau naudojamas maiste – puikus pagrindas paversti mikrobą vitaminų biofabriku.
• Kur tikroji aklavietė? K₂ biosintezės kelias eina per reaktyvius chinonų tarpinius produktus. Viena vertus, jie reikalingi ląstelei (energija, elektronų perdavimas), bet, kita vertus, esant pertekliui, jie tampa toksiški (oksidacinis stresas). Todėl net ir „sureguliavus“ fermentus, pati ląstelė nustato srauto greičio ribas.
• Ko trūko anksčiau.
  • Tikslūs nestabilių tarpinių metabolitų matavimai – juos sunku „pagauti“ standartiniais metodais.
  • Supratimas, ar mažas našumas atsiranda dėl kelio reguliavimo, pradinio substrato trūkumo ar... dažnai nepastebimos operono architektūros (genų tvarkos DNR).
• Kodėl šis darbas. Autoriams reikėjo:
  1. sukurti jautrų biosensorių, kad galiausiai būtų galima išmatuoti „slidžius“ tarpinius produktus;
  2. surinkti viso kaskados modelį ir išsiaiškinti, kur yra tikrosios „kliūtys“;
  3. išbandyti, kaip trys rankenėlės vienu metu veikia išsiskyrimą – substrato tiekimą, pagrindinių fermentų lygius ir genų tvarką – ir ar įmanoma pralaužti natūralias lubas, jas sukant kartu.
• Praktinė prasmė. Jei tiksliai suprantate, kur mikrobas „sulėtina save“, galite sukurti padermes, kurios su tais pačiais ištekliais gamina daugiau vitamino, o gamyba tampa pigesnė ir ekologiškesnė. Tai taip pat naudinga kitiems keliams, kur „naudingi“ chinonai yra ant toksiškumo ribos – nuo vitaminų iki vaistų pirmtakų.

Ką tiksliai jie padarė?

• Buvo sugautas nematomas tarpinis produktas. Pirmtakas, iš kurio surenkamos visos vitamino K₂ formos (menachinonas), yra labai nestabilus. Norint jį „pamatyti“, kitoje bakterijoje buvo pagamintas specialus biosensorius – jautrumas padidėjo tūkstančius kartų, o matavimams pakako paprastos laboratorinės įrangos.
• Jie išanalizavo genetiką ir palygino ją su modeliu. Tyrėjai pakeitė pagrindinių kelio fermentų lygius ir palygino tikrąjį pirmtako išsiskyrimą su modelio prognozėmis. Nors modelis manė, kad substratas yra „begalinis“, viskas išsiskyrė. Verta atsižvelgti į pradinio lygio išeikvojimą, ir prognozės „susitaikė“ į savo vietas: mes susiduriame ne tik su fermentais, bet ir su kelio žaliavomis.
• Buvo rastas DNR „architektūros“ vaidmuo. Net fermentų kaskados genų tvarka turi įtakos nestabilaus tarpinio produkto lygiui. Pertvarkymas davė pastebimų poslinkių – tai reiškia, kad evoliucija taip pat naudoja genomo geometriją kaip reguliatorių.

Pagrindinės išvados paprastais žodžiais

• L. lactis išlaiko pakankamai pirmtako, kad išgyventų ir augtų neapsinuodijus. Vien „fermentų pridėjimas“ nepadeda, jei nėra pakankamai substrato: tai tas pats, kas dėti daugiau kepimo skardų neįdedant miltų.
• Gamybos „lubas“ nustato du dalykai kartu: vidinis signalo perdavimo kelio reguliavimas ir šaltinio prieinamumas. Be viso to, dar yra ir genų tvarka operone. Trijų lygių derinimas vienu metu leidžia peržengti natūralias ribas.

Kodėl tai būtina?

• Vitaminas K₂ yra svarbus kraujo krešėjimui, kaulams ir tikriausiai kraujagyslių sveikatai. Šiuo metu jis gaunamas cheminės sintezės arba ekstrahavimo iš žaliavų būdu – tai brangu ir nelabai ekologiška. Inžinerinės saugios maisto bakterijos suteikia galimybę gaminti K₂ fermentacijos būdu – pigiau ir „žaliau“.
• Supratimas, kur yra sintezės kelio „stabdžiai“, yra žemėlapis gamintojams: galima sukurti padermes, kurios gamina daugiau vitamino su tuo pačiu pašaro kiekiu ir plotu, o ateityje netgi probiotikus, kurie sintetina K₂ tiesiogiai produkte arba žarnyne (žinoma, griežtai laikantis taisyklių).

Citatos

• „Vitaminus gaminantys mikrobai turi potencialą pakeisti mitybą ir mediciną, tačiau pirmiausia turime iššifruoti jų vidinius „avarinius čiaupus“, – sako bendraautorė Caroline Aho-Franklin (Rice universitetas).
• „Kai atsižvelgėme į substrato išeikvojimą, modelis pagaliau atitiko eksperimentą: ląstelės pasiekė natūralias lubas, kai šaltinis pritrūksta“, – priduria Olegas Igošinas.

Ką tai reiškia pramonei – žingsnis po žingsnio

• Įrankiai: Dabar yra biosensorius tiksliam valdymui ir modelis, kuris teisingai apskaičiuoja „kliūtis“. Tai pagreitina ciklą „projektavimas → tikrinimas“.
• Mastelio keitimo strategija: nesivaikykite vieno „superfermento“. Pakoreguokite tris rankenėles: substrato tiekimas → fermentų lygiai → genų tvarka. Tokiu būdu turėsite didesnę tikimybę peržengti natūralią ribą.
• Toleravimas: chinonų naudos ir toksiškumo pusiausvyros principai taikomi ir kitiems mikrobams bei jų dauginimosi būdams – nuo vitaminų iki antibiotikų: per daug reaktyviųjų tarpinių produktų ir augimas sulėtėja.

Kur atsargumas?

Tai fundamentalus darbas su saugiomis maisto bakterijomis laboratorinėmis sąlygomis. Prieš seminarą dar yra klausimų: padermės stabilumas, „funkcinių“ produktų reguliavimas, ekonomikos plėtra. Tačiau veiksmų planas – kur kreiptis ir ką matuoti – jau yra.

Santrauka

Norint iš mikrobo pagaminti daugiau vitamino, nepakanka vien „duoti dujų“ fermentui – taip pat svarbu tiekti kurą ir surinkti tinkamus laidus. „mBio“ tyrimas parodo, kaip kartu pakoreguoti substratą, genus ir reguliavimą, kad Lactococcus lactis taptų žalia K₂ gamykla ir vitaminai taptų pigesni ir švaresni.

Šaltinis: Li S. ir kt. Chinono biosintezės augimo naudą ir toksiškumą atsveria dvigubas reguliavimo mechanizmas ir substrato apribojimai, mBio, 2025 m. rugpjūčio 11 d. doi.org/10.1128/mbio.00887-25.