Vitamin K₂ dengan Cara Baru: Bagaimana Mikrob “Keju” Mengajar Saintis untuk Menjadikan Vitamin Lebih Murah dan Lebih Mesra Alam

Satu pasukan dari Rice University telah mengetahui mengapa bakteria Lactococcus lactis ("kuda kerja" selamat yang sama untuk keju dan kefir) berdegil menolak untuk menghasilkan terlalu banyak prekursor vitamin K₂ — dan cara berhati-hati untuk "mengeluarkan pengehad". Ternyata sel mengimbangi antara manfaat (kuinon diperlukan untuk tenaga) dan ketoksikan (lebihan mereka mencetuskan tekanan oksidatif). Para saintis telah memasang biosensor super sensitif, "membuang wayar" ke dalam laluan sintesis dan menyambungkan model matematik. Kesimpulan: dua "tirai" mengganggu sekaligus - peraturan terbina dalam laluan dan kekurangan substrat awal; tambahan, malah susunan gen pada DNA adalah penting. Jika anda melaraskan tiga tombol bersama-sama (substrat → enzim → susunan gen), siling keluaran boleh dinaikkan. Karya itu diterbitkan dalam mBio pada 11 Ogos 2025.

Latar belakang kajian

• Mengapa semua orang memerlukan vitamin K₂? Menakuinon (vitamin K₂) penting untuk pembekuan darah, kesihatan tulang, dan mungkin saluran darah. Permintaan untuk suplemen semakin meningkat, dan sintesis kimia klasik adalah mahal dan bukan yang paling hijau. Penyelesaian logiknya ialah membuat K₂ melalui penapaian pada bakteria makanan yang selamat.
• Mengapa Lactococcus lactis? Ia adalah tenaga kerja industri tenusu, dengan status GRAS. Ia mudah ditanam, selamat dan sudah digunakan dalam makanan – asas yang sempurna untuk menukar mikrob menjadi biokilang vitamin.
• Di manakah jalan buntu yang sebenarnya? Laluan biosintesis K₂ melalui perantaraan quinone reaktif. Di satu pihak, mereka diperlukan oleh sel (tenaga, pemindahan elektron), tetapi sebaliknya, secara berlebihan mereka menjadi toksik (tekanan oksidatif). Oleh itu, walaupun anda "mengubah" enzim, sel itu sendiri menetapkan had pada kadar aliran.
• Apa yang hilang sebelum ini.
  • Pengukuran tepat metabolit perantaraan yang tidak stabil - mereka sukar untuk "menangkap" dengan kaedah standard.
  • Memahami sama ada output rendah disebabkan oleh peraturan laluan, kekurangan substrat awal, atau... seni bina operon yang sering diabaikan (urutan gen pada DNA).
• Mengapa kerja ini. Penulis memerlukan:
  1. cipta biosensor sensitif untuk akhirnya mengukur perantaraan "licin";
  2. kumpulkan model keseluruhan lata dan ketahui di mana "kehambatan" sebenar;
  3. untuk menguji bagaimana tiga tombol sekali gus mempengaruhi pelepasan - bekalan substrat, tahap enzim utama dan susunan gen - dan sama ada mungkin untuk menembusi siling semula jadi dengan memutarkannya secara bersamaan.
• Rasa praktikal. Jika anda memahami di mana sebenarnya mikrob "melambatkan dirinya", anda boleh mereka bentuk strain yang menghasilkan lebih banyak vitamin dengan sumber yang sama, dan menjadikan pengeluaran lebih murah dan lebih mesra alam. Ini juga berguna untuk laluan lain di mana kuinon "berguna" berada di ambang ketoksikan - daripada vitamin kepada prekursor dadah.

Apa sebenarnya yang mereka lakukan?

• Produk perantaraan yang tidak kelihatan telah ditangkap. Prekursor dari mana semua bentuk vitamin K₂ (menaquinone) terhimpun adalah sangat tidak stabil. Untuk "melihat"nya, biosensor tersuai telah dibuat dalam bakteria lain - sensitiviti meningkat beribu-ribu kali ganda, dan peralatan makmal mudah sudah cukup untuk pengukuran.
• Mereka memutar-mutar genetik dan membandingkannya dengan model. Para penyelidik mengubah tahap enzim utama laluan dan membandingkan pelepasan sebenar prekursor dengan ramalan model. Walaupun model menganggap bahawa substrat adalah "tidak terhingga", semuanya menyimpang. Perlu dipertimbangkan kehabisan permulaan, dan ramalan "jatuh" ke tempatnya: kita menghadapi bukan sahaja enzim, tetapi juga bahan mentah untuk laluan itu.
• Peranan "seni bina" DNA ditemui. Malah susunan gen lata enzim mempengaruhi tahap produk perantaraan yang tidak stabil. Penyusunan semula memberikan perubahan yang ketara - ini bermakna evolusi juga menggunakan geometri genom sebagai pengawal selia.

Penemuan utama dalam istilah mudah

• L. lactis mengekalkan prekursor yang cukup untuk terus hidup dan berkembang tanpa menjadi toksik. Hanya "menambah enzim" tidak membantu jika substrat tidak mencukupi: ia seperti meletakkan lebih banyak kepingan kuki tanpa menambah tepung.
• "Siling" pengeluaran ditetapkan oleh dua perkara bersama-sama: peraturan dalaman laluan dan ketersediaan sumber. Tambahan pula di atas semua ini ialah susunan gen dalam operon. Menala tiga tahap sekaligus membolehkan anda melampaui had semula jadi.

Mengapa ini perlu?

• Vitamin K₂ penting untuk pembekuan darah, tulang, dan mungkin kesihatan vaskular. Pada masa ini, ia diperoleh melalui sintesis kimia atau pengekstrakan daripada bahan mentah - ini mahal dan tidak begitu mesra alam. Kejuruteraan bakteria makanan selamat memberi peluang untuk membuat K₂ melalui penapaian - lebih murah dan "lebih hijau".
• Memahami di mana "brek" dalam laluan sintesis adalah peta untuk pengeluar: adalah mungkin untuk mencipta strain yang menghasilkan lebih banyak vitamin pada jumlah makanan dan kawasan yang sama, dan pada masa hadapan, malah probiotik yang mensintesis K₂ terus dalam produk atau dalam usus (tentu saja di bawah peraturan).

Petikan

• "Mikrob penghasil vitamin mempunyai potensi untuk mengubah pemakanan dan perubatan, tetapi pertama-tama kita perlu mentafsir 'stopcock kecemasan' dalaman mereka, " kata pengarang bersama Caroline Aho-Franklin (Rice University).
• "Apabila kami mengambil kira kekurangan substrat, model akhirnya sepadan dengan eksperimen: sel mencecah siling semula jadi apabila sumbernya kehabisan," tambah Oleg Igoshin.

Maksud ini untuk industri - titik demi titik

• Alat: Kini terdapat biosensor untuk kawalan halus dan model yang betul mengira "kebotolan". Ini mempercepatkan kitaran "reka bentuk → semak".
• Strategi penskalaan: Jangan mengejar satu "enzim super". Tweak tiga tombol: suapan substrat → tahap enzim → susunan gen. Dengan cara ini, anda mempunyai peluang yang lebih tinggi untuk menembusi had semula jadi.
• Kebolehtahanan: Prinsip keseimbangan faedah/toksikiti untuk kuinon terpakai kepada mikrob dan laluan lain, juga, daripada vitamin kepada antibiotik: terlalu banyak perantaraan reaktif dan pertumbuhan jatuh.

Di manakah berhati-hati?

Ini adalah kerja asas pada bakteria makanan yang selamat dan dalam keadaan makmal. Masih terdapat soalan sebelum bengkel: kestabilan terikan, peraturan untuk produk "berfungsi", skala ekonomi. Tetapi peta jalan - ke mana hendak berpaling dan perkara yang perlu diukur - sudah wujud.

Ringkasan

Untuk membuat lebih banyak vitamin daripada mikrob, tidak cukup hanya "memberi gas" kepada enzim — ia juga penting untuk membekalkan bahan api dan memasang pendawaian yang betul. Kajian mBio menunjukkan cara mengubah substrat, gen dan peraturan bersama-sama untuk menjadikan Lactococcus lactis menjadi kilang K₂ hijau — dan menjadikan vitamin lebih murah dan bersih.

Sumber: Li S. et al. Faedah pertumbuhan dan ketoksikan biosintesis kuinon diseimbangkan oleh mekanisme pengawalseliaan dwi dan pengehadan substrat, mBio, 11 Ogos 2025. doi.org/10.1128/mbio.00887-25.