Witamina K₂ w nowy sposób: jak mikrob „serowy” nauczył naukowców, jak produkować witaminy taniej i bardziej ekologicznie

Zespół z Rice University odkrył, dlaczego bakterie Lactococcus lactis (ten sam bezpieczny „koń roboczy” serów i kefiru) uparcie odmawiają produkcji zbyt dużej ilości prekursora witaminy K₂ — i jak ostrożnie „usuwać ograniczenia”. Okazało się, że komórki zachowują równowagę między korzyściami (chinonami są niezbędne do produkcji energii) a toksycznością (ich nadmiar wywołuje stres oksydacyjny). Naukowcy zbudowali superczuły biosensor, „wrzucili przewody” do ścieżek syntezy i połączyli model matematyczny. Wniosek: dwie „kurtyny” interferują jednocześnie — wbudowana regulacja ścieżki i brak początkowego substratu; ponadto ważna jest nawet kolejność genów w DNA. Jeśli odpowiednio dostosujemy trzy pokrętła (substrat → enzymy → kolejność genów), pułap wyjściowy może wzrosnąć. Praca została opublikowana w czasopiśmie mBio 11 sierpnia 2025 roku.

Tło badania

• Dlaczego wszyscy potrzebują witaminy K₂? Menachinony (witamina K₂) są ważne dla krzepnięcia krwi, zdrowia kości i prawdopodobnie naczyń krwionośnych. Zapotrzebowanie na suplementy rośnie, a tradycyjna synteza chemiczna jest droga i nieekologiczna. Logicznym rozwiązaniem jest wytwarzanie witaminy K₂ poprzez fermentację na bezpiecznych bakteriach spożywczych.
• Dlaczego Lactococcus lactis? To „koń pociągowy” przemysłu mleczarskiego, posiadający status GRAS. Jest łatwy w uprawie, bezpieczny i już wykorzystywany w żywności – idealna baza do przekształcenia tego mikroorganizmu w biofabrykę witamin.
• Gdzie jest prawdziwy ślepy zaułek? Szlak biosyntezy potasu prowadzi przez reaktywne półprodukty chinonowe. Z jednej strony są one potrzebne komórce (energia, transfer elektronów), ale z drugiej strony, w nadmiarze stają się toksyczne (stres oksydacyjny). Dlatego nawet jeśli „podkręcimy” enzymy, sama komórka narzuci ograniczenia na szybkość przepływu.
• Czego brakowało wcześniej.
  • Dokładne pomiary niestabilnych metabolitów pośrednich – trudno je „wychwycić” standardowymi metodami.
  • Zrozumienie, czy niski wynik wynika z regulacji ścieżki, braku początkowego substratu, czy też… często pomijanej architektury operonu (kolejności genów na DNA).
• Dlaczego ta praca? Autorzy potrzebowali:
  1. stworzyć czuły biosensor, który będzie mógł ostatecznie zmierzyć „śliskie” substancje pośrednie;
  2. złóż model całej kaskady i dowiedz się, gdzie znajdują się prawdziwe „wąskie gardła”;
  3. aby sprawdzić, w jaki sposób trzy pokrętła jednocześnie wpływają na uwalnianie – dostarczanie substratu, poziomy kluczowych enzymów i kolejność genów – i czy możliwe jest przełamanie naturalnego pułapu, zmieniając je jednocześnie.
• Praktyczny sens. Jeśli zrozumiesz, gdzie dokładnie mikrob „spowalnia”, możesz zaprojektować szczepy, które produkują więcej witamin przy tych samych zasobach, a co za tym idzie, produkcja będzie tańsza i bardziej przyjazna dla środowiska. Jest to również przydatne w innych procesach, gdzie „użyteczne” chinony są na granicy toksyczności – od witamin po prekursory leków.

Co dokładnie zrobili?

• Wychwycono niewidoczny produkt pośredni. Prekursor, z którego powstają wszystkie formy witaminy K₂ (menachinonu), jest bardzo niestabilny. Aby go „zobaczyć”, wykonano specjalny biosensor w innej bakterii – czułość wzrosła tysiące razy, a do pomiarów wystarczył prosty sprzęt laboratoryjny.
• Zamieszali dane genetyczne i porównali je z modelem. Naukowcy zmienili poziomy kluczowych enzymów szlaku i porównali rzeczywiste uwalnianie prekursora z przewidywaniami modelu. Chociaż model zakładał „nieskończoność” substratu, wszystko się rozmijało. Warto było wziąć pod uwagę wyczerpywanie się zasobów początkowych, a przewidywania „trafiły” w sedno: napotykamy nie tylko enzymy, ale także surowce dla szlaku.
• Odkryto rolę „architektury” DNA. Nawet kolejność genów kaskady enzymatycznej wpływa na poziom niestabilnego produktu pośredniego. Rearanżacja spowodowała zauważalne przesunięcia – oznacza to, że ewolucja również wykorzystuje geometrię genomu jako regulator.

Najważniejsze ustalenia w prostych słowach

• L. lactis utrzymuje wystarczającą ilość prekursorów, aby przetrwać i rosnąć bez toksyczności. Samo „dodawanie enzymów” nie pomoże, jeśli nie ma wystarczającej ilości substratu: to jak dokładanie kolejnych blach do pieczenia bez dodawania mąki.
• „Pułap” produkcji jest wyznaczany przez dwa czynniki: wewnętrzną regulację szlaku i dostępność źródła. Dodatkowo, na to wszystko wpływa kolejność genów w operonie. Jednoczesne dostrojenie trzech poziomów pozwala przekroczyć naturalną granicę.

Dlaczego jest to konieczne?

• Witamina K₂ jest ważna dla krzepnięcia krwi, kości i prawdopodobnie dla zdrowia naczyń krwionośnych. Obecnie jest pozyskiwana poprzez syntezę chemiczną lub ekstrakcję z surowców – jest to kosztowne i niezbyt przyjazne dla środowiska. Inżynieria genetyczna bezpiecznych bakterii spożywczych daje szansę na wytwarzanie witaminy K₂ poprzez fermentację – tańszą i bardziej „ekologiczną”.
• Zrozumienie, gdzie znajdują się „hamulce” na ścieżce syntezy, stanowi mapę dla producentów: możliwe jest stworzenie szczepów, które produkują więcej witaminy przy tej samej ilości paszy i powierzchni, a w przyszłości nawet probiotyków, które syntetyzują K₂ bezpośrednio w produkcie lub w jelitach (oczywiście, pod ścisłymi regulacjami).

Cytaty

• „Mikroby produkujące witaminy mają potencjał, aby zmienić dietę i medycynę, ale najpierw musimy rozszyfrować ich wewnętrzne 'zawory awaryjne'” – mówi współautorka Caroline Aho-Franklin (Rice University).
• „Gdy uwzględniliśmy wyczerpywanie się substratu, model ostatecznie odpowiadał eksperymentowi: komórki osiągają naturalny pułap, gdy źródło się wyczerpie” – dodaje Oleg Igoshin.

Co to oznacza dla branży – punkt po punkcie

• Narzędzia: Teraz dostępny jest biosensor do precyzyjnej kontroli oraz model, który poprawnie oblicza „wąskie gardła”. Przyspiesza to cykl „projektowanie → kontrola”.
• Strategia skalowania: Nie goń za jednym „super enzymem”. Dostosuj trzy pokrętła: podawanie substratu → poziom enzymów → kolejność genów. W ten sposób masz większą szansę na przełamanie naturalnego limitu.
• Tolerancja: Zasady równowagi korzyści i toksyczności chinonów mają zastosowanie również do innych drobnoustrojów i szlaków metabolicznych – od witamin po antybiotyki: zbyt duża liczba reaktywnych produktów pośrednich powoduje zahamowanie wzrostu.

Gdzie jest ostrożność?

To fundamentalna praca nad bezpiecznymi bakteriami spożywczymi w warunkach laboratoryjnych. Przed warsztatami wciąż pozostają pytania: stabilność szczepu, regulacje dotyczące produktów „funkcjonalnych”, ekonomia skalowania. Ale plan działania – gdzie się zwrócić i co mierzyć – już istnieje.

Streszczenie

Aby wytworzyć więcej witamin z mikroorganizmu, nie wystarczy po prostu „dać gaz” enzymowi – ważne jest również dostarczenie paliwa i zmontowanie odpowiednich połączeń. Badanie mBio pokazuje, jak zmodyfikować substrat, geny i mechanizmy regulacji, aby przekształcić Lactococcus lactis w zieloną fabrykę potasu – i sprawić, że witaminy będą tańsze i czystsze.

Źródło: Li S. i in. Korzyści ze wzrostu i toksyczność biosyntezy chinonu są równoważone przez podwójny mechanizm regulacyjny i ograniczenia substratowe, mBio, 11 sierpnia 2025 r. doi.org/10.1128/mbio.00887-25.