Вітамін K₂ по-новому: як «сирний» мікроб навчив вчених робити вітаміни дешевшими та екологічнішими

Команда з Університету Райса з'ясувала, чому бактерії Lactococcus lactis (та сама безпечна «робоча конячка» сирів і кефіру) вперто відмовляються виробляти занадто багато попередника вітаміну K₂ — і як обережно «зняти обмежувачі». Виявилося, що клітини балансують між користю (хінони потрібні для енергії) та токсичністю (їх надлишок запускає оксидативний стрес). Вчені зібрали надчутливий біосенсор, «кинули дроти» в шляхи синтезу та підключили математичну модель. Висновок: заважають одразу дві «завіси» — вбудована регуляція шляху та відсутність початкового субстрату; плюс, важливий навіть порядок генів на ДНК. Якщо налаштувати три ручки разом (субстрат → ферменти → порядок генів), можна підняти стелю виходу. Робота була опублікована в mBio 11 серпня 2025 року.

Передумови дослідження

• Чому всім потрібен вітамін K₂? Менахінони (вітамін K₂) важливі для згортання крові, здоров'я кісток і, ймовірно, кровоносних судин. Попит на добавки зростає, а класичний хімічний синтез є дорогим і не найекологічнішим. Логічним рішенням є отримання K₂ шляхом ферментації на безпечних харчових бактеріях.
• Чому саме Lactococcus lactis? Це робоча конячка молочної промисловості зі статусом GRAS. Його легко культивувати, він безпечний і вже використовується в харчових продуктах – ідеальна основа для перетворення мікроба на вітамінну біофабрику.
• Де ж справжній глухий кут? Шлях біосинтезу K₂ проходить через реактивні проміжні продукти хінону. З одного боку, вони потрібні клітині (енергія, перенос електронів), але з іншого боку, у надлишку вони стають токсичними (окислювальний стрес). Тому, навіть якщо «підлаштувати» ферменти, сама клітина встановлює обмеження на швидкість потоку.
• Чого бракувало раніше.
  • Точні вимірювання нестабільних проміжних метаболітів – їх важко «вловити» стандартними методами.
  • Розуміння того, чи низький вихід пов'язаний з регуляцією сигнальних шляхів, відсутністю початкового субстрату чи… часто недооціненою архітектурою оперона (порядком генів у ДНК).
• Чому саме ця робота. Авторам потрібно було:
  1. створити чутливий біосенсор для остаточного вимірювання «слизьких» проміжних продуктів;
  2. зберіть модель усього каскаду та з'ясуйте, де знаходяться справжні «вузькі місця»;
  3. перевірити, як три ручки одночасно впливають на вивільнення – постачання субстрату, рівні ключових ферментів та порядок генів – і чи можливо пробити природну стелю, обертаючи їх узгоджено.
• Практичний сенс. Якщо зрозуміти, де саме мікроб «сповільнює себе», можна розробити штами, які виробляють більше вітаміну з тими ж ресурсами, а виробництво зробити дешевшим та екологічнішим. Це також корисно для інших шляхів, де «корисні» хінони знаходяться на межі токсичності — від вітамінів до прекурсорів ліків.

Що саме вони зробили?

• Було спіймано невидимий проміжний продукт. Попередник, з якого збираються всі форми вітаміну K₂ (менахінон), дуже нестабільний. Щоб його «побачити», в іншій бактерії виготовили спеціальний біосенсор – чутливість збільшилася в тисячі разів, а для вимірювань було достатньо простого лабораторного обладнання.
• Вони переробили генетику та порівняли її з моделлю. Дослідники змінили рівні ключових ферментів шляху та порівняли фактичне вивільнення попередника з прогнозами моделі. Хоча модель вважала, що субстрат «нескінченний», все розійшлося. Варто було врахувати виснаження початку, і прогнози «стали на свої місця»: ми стикаємося не лише з ферментами, а й із сировиною для шляху.
• Було виявлено роль «архітектури» ДНК. Навіть порядок генів ферментного каскаду впливає на рівень нестабільного проміжного продукту. Перебудова дала помітні зрушення – це означає, що еволюція також використовує геометрію геному як регулятор.

Ключові висновки, викладені простою мовою

• L. lactis зберігає достатньо попередників для виживання та росту без токсичності. Просте «додавання ферментів» не допоможе, якщо субстрату недостатньо: це як покласти більше дек, не додавши борошна.
• «Стеля» продукування встановлюється двома факторами разом: внутрішньою регуляцією шляху та доступністю джерела. Плюс до всього цього ще й порядок генів в опероні. Налаштування трьох рівнів одночасно дозволяє вийти за межі природної межі.

Чому це необхідно?

• Вітамін K₂ важливий для згортання крові, здоров'я кісток і, ймовірно, судин. Наразі його отримують шляхом хімічного синтезу або екстракції із сировини – це дорого та не дуже екологічно. Інженерія безпечних харчових бактерій дає можливість отримувати K₂ шляхом ферментації – дешевше та «екологічніше».
• Розуміння того, де знаходяться «гальма» у шляху синтезу, є своєрідною картою для виробників: можливо створити штами, які виробляють більше вітаміну з тієї ж кількості корму та площі, а в майбутньому навіть пробіотики, які синтезують K₂ безпосередньо в продукті або в кишечнику (звичайно, суворо під контролем).

Цитати

• «Мікроби, що виробляють вітаміни, мають потенціал для трансформації харчування та медицини, але спочатку нам потрібно розшифрувати їхні внутрішні «аварійні запірні крани»», — каже співавторка Керолайн Ахо-Франклін (Університет Райса).
• «Коли ми врахували виснаження субстрату, модель нарешті збіглася з експериментом: клітини досягають природної стелі, коли джерело вичерпується», – додає Олег Ігошин.

Що це означає для галузі – пункт за пунктом

• Інструменти: Тепер є біосенсор для точного контролю та модель, яка правильно розраховує «вузькі місця». Це пришвидшує цикл «проектування → перевірка».
• Стратегія масштабування: Не женіться за одним «суперферментом». Налаштуйте три регулятори: подача субстрату → рівні ферментів → порядок генів. Таким чином, у вас буде більше шансів подолати природну межу.
• Переносимість: Принципи балансу користі/токсичності для хінонів застосовуються також до інших мікробів та шляхів, від вітамінів до антибіотиків: занадто багато реакційноздатних проміжних продуктів та зниження росту.

Де ж обережність?

Це фундаментальна робота з безпечних харчових бактерій та в лабораторних умовах. До семінару ще залишаються питання: стабільність штамів, регулювання «функціональних» продуктів, економіка масштабування. Але дорожня карта – куди звернутися та що вимірювати – вже існує.

Короткий зміст

Щоб виробити більше вітамінів з мікроба, недостатньо просто «дати газ» ферменту — важливо також постачати паливо та створювати правильні зв'язки. Дослідження mBio показує, як разом налаштувати субстрат, гени та регуляцію, щоб перетворити Lactococcus lactis на зелену фабрику K₂ — і зробити вітаміни дешевшими та чистішими.

Джерело: Лі С. та ін. Переваги для росту та токсичність біосинтезу хінонів збалансовані подвійним регуляторним механізмом та обмеженнями субстрату, mBio, 11 серпня 2025 р. doi.org/10.1128/mbio.00887-25.