Vitamin K₂ na novi način: Kako je "sirni" mikrob naučio znanstvenike da vitamine učine jeftinijima i ekološki prihvatljivijima

Tim sa Sveučilišta Rice otkrio je zašto bakterija Lactococcus lactis (ista sigurna "radna tvar" sireva i kefira) tvrdoglavo odbija proizvesti previše prekursora vitamina K₂ - i kako pažljivo "ukloniti ograničitelje". Pokazalo se da stanice balansiraju između koristi (kinoni su potrebni za energiju) i toksičnosti (njihov višak izaziva oksidativni stres). Znanstvenici su sastavili superosjetljivi biosenzor, "ubacili žice" u putove sinteze i povezali matematički model. Zaključak: dvije "zavjese" se miješaju odjednom - ugrađena regulacija puta i nedostatak početnog supstrata; plus, važan je čak i redoslijed gena na DNK. Ako podesite tri gumba zajedno (supstrat → enzimi → redoslijed gena), može se podići gornja granica proizvodnje. Rad je objavljen u mBio 11. kolovoza 2025.

Pozadina studije

• Zašto je svima potreban vitamin K₂? Menakinoni (vitamin K₂) važni su za zgrušavanje krvi, zdravlje kostiju i vjerojatno krvnih žila. Potražnja za dodacima prehrani raste, a klasična kemijska sinteza je skupa i nije najzelenija. Logično rješenje je proizvodnja K₂ fermentacijom na sigurnim prehrambenim bakterijama.
• Zašto Lactococcus lactis? To je radni konj mliječne industrije, s GRAS statusom. Lako se uzgaja, siguran je i već se koristi u hrani – savršena osnova za pretvaranje mikroba u biotvornicu vitamina.
• Gdje je prava slijepa ulica? Put biosinteze K₂ ide kroz reaktivne kinonske međuprodukte. S jedne strane, potrebni su stanici (energija, prijenos elektrona), ali s druge strane, u prekomjernoj količini postaju toksični (oksidativni stres). Stoga, čak i ako "podešavate" enzime, sama stanica postavlja ograničenja brzini protoka.
• Što je prije nedostajalo.
  • Točna mjerenja nestabilnih međuproduktnih metabolita - teško ih je "uhvatiti" standardnim metodama.
  • Razumijevanje je li niska proizvodnja posljedica regulacije genskog puta, nedostatka početnog supstrata ili... često zanemarene arhitekture operona (redoslijeda gena na DNK).
• Zašto ovaj rad. Autorima je bilo potrebno:
  1. stvoriti osjetljivi biosenzor za konačno mjerenje „klizavih“ međuprodukata;
  2. sastavite model cijele kaskade i saznajte gdje su prava „uska grla“;
  3. testirati kako tri gumba odjednom utječu na oslobađanje - opskrbu supstratom, razine ključnih enzima i redoslijed gena - te je li moguće probiti prirodni plafon njihovim zajedničkim okretanjem.
• Praktično značenje. Ako razumijete gdje se točno mikrob "usporava", možete dizajnirati sojeve koji proizvode više vitamina s istim resursima i učiniti proizvodnju jeftinijom i ekološki prihvatljivijom. To je također korisno za druge putove gdje su "korisni" kinoni na rubu toksičnosti - od vitamina do prekursora lijekova.

Što su točno učinili?

• Uhvaćen je nevidljivi međuprodukt. Prekursor iz kojeg se sastavljaju svi oblici vitamina K₂ (menakinon) vrlo je nestabilan. Da bi ga se "vidjelo", izrađen je prilagođeni biosenzor u drugoj bakteriji - osjetljivost se povećala tisuće puta, a za mjerenja je bila dovoljna jednostavna laboratorijska oprema.
• Zavrtjeli su genetiku i usporedili je s modelom. Istraživači su promijenili razine ključnih enzima puta i usporedili stvarno oslobađanje prekursora s predviđanjima modela. Dok je model smatrao da je supstrat "beskonačan", sve se razlikovalo. Vrijedilo je razmotriti iscrpljivanje početka i predviđanja su "pala" na svoje mjesto: nailazimo ne samo na enzime, već i na sirovine za put.
• Otkrivena je uloga "arhitekture" DNK. Čak i redoslijed gena enzimske kaskade utječe na razinu nestabilnog međuprodukta. Preuređenje je dalo primjetne pomake - to znači da evolucija također koristi geometriju genoma kao regulator.

Ključni nalazi jednostavnim riječima

• L. lactis zadržava tek toliko prekursora da preživi i raste bez toksičnosti. Samo "dodavanje enzima" ne pomaže ako nema dovoljno supstrata: to je kao da stavljate više limova za pečenje bez dodavanja brašna.
• "Plafon" proizvodnje određuju dva faktora zajedno: unutarnja regulacija puta i dostupnost izvora. Uz sve to, tu je i redoslijed gena u operonu. Podešavanje tri razine odjednom omogućuje vam da prijeđete prirodnu granicu.

Zašto je ovo potrebno?

• Vitamin K₂ važan je za zgrušavanje krvi, kosti i vjerojatno zdravlje krvnih žila. Trenutno se dobiva kemijskom sintezom ili ekstrakcijom iz sirovina - to je skupo i nije baš ekološki prihvatljivo. Razvoj sigurnih bakterija za hranu daje priliku za proizvodnju K₂ fermentacijom - jeftinije i "zelenije".
• Razumijevanje gdje su „kočnice“ u putu sinteze je mapa za proizvođače: moguće je stvoriti sojeve koji proizvode više vitamina na istoj količini hrane i površini, a u budućnosti čak i probiotike koji sintetiziraju K₂ izravno u proizvodu ili u crijevima (naravno, strogo pod kontrolom).

Citati

• „Mikrobi koji proizvode vitamine imaju potencijal transformirati prehranu i medicinu, ali prvo moramo dešifrirati njihove unutarnje 'slavine za hitne slučajeve'“, kaže koautorica Caroline Aho-Franklin (Sveučilište Rice).
• „Kada smo uzeli u obzir iscrpljivanje supstrata, model se konačno podudarao s eksperimentom: stanice su dosegle prirodni plafon kada se izvor iscrpi“, dodaje Oleg Igošin.

Što to znači za industriju - točku po točku

• Alati: Sada postoji biosenzor za finu kontrolu i model koji ispravno izračunava "uska grla". To ubrzava ciklus "dizajn → provjera".
• Strategija skaliranja: Nemojte juriti za jednim "super enzimom". Podesite tri gumba: hranjenje supstrata → razine enzima → redoslijed gena. Na taj način imate veće šanse za probijanje prirodne granice.
• Podnošljivost: Principi ravnoteže koristi i toksičnosti za kinone primjenjuju se i na druge mikrobe i puteve, od vitamina do antibiotika: previše reaktivnih međuprodukata i pad rasta.

Gdje je tu oprez?

Ovo je temeljni rad na sigurnim bakterijama u hrani i u laboratorijskim uvjetima. Prije radionice još uvijek postoje pitanja: stabilnost sojeva, regulacija za "funkcionalne" proizvode, ekonomija skaliranja. Ali mapa puta - kamo se okrenuti i što mjeriti - već postoji.

Sažetak

Da bi se iz mikroba proizvelo više vitamina, nije dovoljno samo "dati plin" enzimu - važno je i opskrbiti gorivom i sastaviti pravu mrežu. Studija mBio pokazuje kako zajedno prilagoditi supstrat, gene i regulaciju kako bi se Lactococcus lactis pretvorio u zelenu tvornicu K₂ - i vitamini postali jeftiniji i čišći.

Izvor: Li S. i dr. Prednosti rasta i toksičnost biosinteze kinona uravnotežene su dvostrukim regulatornim mehanizmom i ograničenjima supstrata, mBio, 11. kolovoza 2025. doi.org/10.1128/mbio.00887-25.