Витамин К₂ на нови начин: Како је „сирни“ микроб научио научнике да витамине направе јефтинијим и еколошки прихватљивијим

Тим са Универзитета Рајс је открио зашто бактерија Lactococcus lactis (иста она безбедна „радна коњка“ сирева и кефира) тврдоглаво одбија да производи превише прекурсора витамина К₂ — и како пажљиво „уклонити ограничења“. Испоставило се да ћелије балансирају између користи (хинони су потребни за енергију) и токсичности (њихов вишак покреће оксидативни стрес). Научници су саставили суперосетљиви биосензор, „бацили жице“ у путеве синтезе и повезали математички модел. Закључак: две „завесе“ се мешају одједном — уграђена регулација путање и недостатак почетног супстрата; плус, чак је и редослед гена на ДНК важан. Ако подесите три дугмета заједно (супстрат → ензими → редослед гена), плафон излаза се може подићи. Рад је објављен у mBio 11. августа 2025. године.

Позадина студије

• Зашто је свима потребан витамин К₂? Менахинони (витамин К₂) су важни за згрушавање крви, здравље костију и вероватно крвних судова. Потражња за суплементима расте, а класична хемијска синтеза је скупа и није најеколошки прихватљивија. Логично решење је да се К₂ производи ферментацијом на безбедним прехрамбеним бактеријама.
• Зашто Lactococcus lactis? То је радна снага млечне индустрије, са GRAS статусом. Лако се гаји, безбедан је и већ се користи у храни – савршена основа за претварање микроба у биофабрику витамина.
• Где је права ћорсокак? Пут биосинтезе K₂ иде кроз реактивне хинонске интермедијере. С једне стране, они су потребни ћелији (енергија, пренос електрона), али с друге стране, у вишку постају токсични (оксидативни стрес). Стога, чак и ако „подешавате“ ензиме, сама ћелија поставља ограничења брзини протока.
• Шта је раније недостајало.
  • Прецизна мерења нестабилних интермедијарних метаболита - тешко их је „ухватити“ стандардним методама.
  • Разумевање да ли је низак излаз последица регулације путање, недостатка почетног супстрата или... често занемарене архитектуре оперона (редоследа гена на ДНК).
• Зашто овај рад. Ауторима је било потребно:
  1. створити осетљиви биосензор за коначно мерење „клизавих“ међупроизвода;
  2. саставите модел целе каскаде и откријте где су права „уска грла“;
  3. да се тестира како три дугмета истовремено утичу на ослобађање - снабдевање супстратом, нивое кључних ензима и редослед гена - и да ли је могуће пробити природни плафон њиховим усклађеним окретањем.
• Практично значење. Ако разумете где тачно микроб „успорава сам себе“, можете дизајнирати сојеве који производе више витамина са истим ресурсима и учинити производњу јефтинијом и еколошки прихватљивијом. Ово је такође корисно за друге путеве где су „корисни“ хинони на ивици токсичности – од витамина до прекурсора лекова.

Шта су тачно урадили?

• Ухваћен је невидљиви међупроизвод. Прекурсор из којег се састављају сви облици витамина К₂ (менахинон) је веома нестабилан. Да би се „видео“, направљен је прилагођени биосензор у другој бактерији - осетљивост се повећала хиљадама пута, а за мерења је била довољна једноставна лабораторијска опрема.
• Изменили су генетику и упоредили је са моделом. Истраживачи су променили нивое кључних ензима путање и упоредили стварно ослобађање прекурсора са предвиђањима модела. Док је модел сматрао да је супстрат „бесконачан“, све се разишло. Вредило је размотрити исцрпљивање почетка, и предвиђања су „дошла“ на своје место: наилазимо не само на ензиме, већ и на сировине за путању.
• Утврђена је улога „архитектуре“ ДНК. Чак и редослед гена ензимске каскаде утиче на ниво нестабилног међупроизвода. Преуређење је дало приметне помаке – то значи да еволуција такође користи геометрију генома као регулатор.

Кључни налази једноставним речима

• L. lactis одржава довољно прекурсора да преживи и расте без токсичности. Само „додавање ензима“ не помаже ако нема довољно супстрата: то је као да стављате још плехова за колаче без додавања брашна.
• „Плафон“ производње постављају две ствари заједно: унутрашња регулација путање и доступност извора. Поред свега тога, ту је и редослед гена у оперону. Подешавање три нивоа одједном вам омогућава да пређете природну границу.

Зашто је ово неопходно?

• Витамин К₂ је важан за згрушавање крви, кости и вероватно здравље крвних судова. Тренутно се добија хемијском синтезом или екстракцијом из сировина - ово је скупо и није баш еколошки прихватљиво. Инжењеринг безбедних прехрамбених бактерија даје могућност да се К₂ произведе ферментацијом - јефтиније и „еколошки прихватљивије“.
• Разумевање где су „кочнице“ у путу синтезе је мапа за произвођаче: могуће је створити сојеве који производе више витамина на истој количини хране и површине, а у будућности чак и пробиотике који синтетишу К₂ директно у производу или у цревима (наравно, строго под регулацијом).

Цитати

• „Микроби који производе витамине имају потенцијал да трансформишу исхрану и медицину, али прво морамо да дешифрујемо њихове унутрашње 'славине за хитне случајеве'“, каже коауторка Каролина Ахо-Франклин (Универзитет Рајс).
• „Када смо узели у обзир исцрпљивање супстрата, модел се коначно поклопио са експериментом: ћелије су достигле природни плафон када се извор исцрпи“, додаје Олег Игошин.

Шта ово значи за индустрију - тачка по тачка

• Алати: Сада постоји биосензор за фину контролу и модел који исправно израчунава „уска грла“. Ово убрзава циклус „пројектовање → провера“.
• Стратегија скалирања: Не јурите један „супер ензим“. Подесите три дугмета: храњење супстратом → нивои ензима → редослед гена. На овај начин имате веће шансе да пробијете природну границу.
• Толеранција: Принципи равнотеже користи/токсичности за хиноне примењују се и на друге микробе и путеве, од витамина до антибиотика: превише реактивних интермедијара и пад раста.

Где је опрез?

Ово је фундаментални рад на безбедним бактеријама у храни и у лабораторијским условима. Пре радионице још увек постоје питања: стабилност соја, регулација за „функционалне“ производе, економија скалирања. Али мапа пута - где се окренути и шта мерити - већ постоји.

Резиме

Да би се из микроба произвело више витамина, није довољно само „дати гас“ ензиму — важно је и обезбедити гориво и саставити праве везе. Студија mBio показује како заједно подесити супстрат, гене и регулацију како би се Lactococcus lactis претворио у зелену фабрику K₂ — и витамини учинили јефтинијим и чистијим.

Извор: Ли С. и др. Користи за раст и токсичност биосинтезе хинона уравнотежене су двоструким регулаторним механизмом и ограничењима супстрата, mBio, 11. август 2025. doi.org/10.1128/mbio.00887-25.