Vitamin K₂ na nov način: Kako je "sirni" mikrob znanstvenike naučil, da vitamine naredijo cenejše in okolju prijaznejše.

Ekipa z Univerze Rice je ugotovila, zakaj bakterija Lactococcus lactis (isti varni "delovni konj" sirov in kefirja) trmasto noče proizvajati preveč predhodnika vitamina K₂ – in kako previdno "odstraniti omejevalnike". Izkazalo se je, da celice uravnotežijo med koristjo (kinoni so potrebni za energijo) in toksičnostjo (njihov presežek sproži oksidativni stres). Znanstveniki so sestavili super občutljiv biosenzor, "vrgli žice" v poti sinteze in povezali matematični model. Zaključek: hkrati motita dve "zavesi" – vgrajena regulacija poti in pomanjkanje začetnega substrata; poleg tega je pomemben celo vrstni red genov na DNK. Če skupaj prilagodite tri gumbe (substrat → encimi → vrstni red genov), lahko dvignete zgornjo mejo izhodne moči. Delo je bilo objavljeno v mBio 11. avgusta 2025.

Ozadje študije

• Zakaj vsi potrebujemo vitamin K₂? Menakinoni (vitamin K₂) so pomembni za strjevanje krvi, zdravje kosti in verjetno tudi za krvne žile. Povpraševanje po prehranskih dopolnilih narašča, klasična kemična sinteza pa je draga in ni najbolj okolju prijazna. Logična rešitev je pridobivanje K₂ s fermentacijo na varnih živilskih bakterijah.
• Zakaj Lactococcus lactis? Je delovna sila mlečne industrije s statusom GRAS. Je enostaven za gojenje, varen in se že uporablja v hrani – idealna osnova za pretvorbo mikroba v biotovarno vitaminov.
• Kje je prava slepa ulica? Pot biosinteze K₂ poteka skozi reaktivne kinonske intermediate. Po eni strani jih celica potrebuje (energija, prenos elektronov), po drugi strani pa v presežku postanejo strupeni (oksidativni stres). Zato tudi če "prilagodite" encime, celica sama postavi omejitve hitrosti pretoka.
• Kar je prej manjkalo.
  • Natančne meritve nestabilnih vmesnih metabolitov – s standardnimi metodami jih je težko »ujeti«.
  • Razumevanje, ali je nizek izhod posledica regulacije poti, pomanjkanja začetnega substrata ali... pogosto spregledane arhitekture operona (vrstnega reda genov na DNK).
• Zakaj to delo. Avtorji so potrebovali:
  1. ustvariti občutljiv biosenzor za končno merjenje "spolzkih" intermediatov;
  2. sestavite model celotne kaskade in ugotovite, kje so prava "ozka grla";
  3. da bi preizkusili, kako trije gumbi hkrati vplivajo na sproščanje - oskrbo s substratom, raven ključnih encimov in vrstni red genov - in ali je mogoče prebiti naravni strop z njihovim usklajenim obračanjem.
• Praktični smisel. Če razumete, kje točno se mikrob "upočasni", lahko oblikujete seve, ki z enakimi viri proizvedejo več vitamina, s čimer je proizvodnja cenejša in okolju prijaznejša. To je uporabno tudi za druge poti, kjer so "koristni" kinoni na robu toksičnosti – od vitaminov do predhodnikov zdravil.

Kaj točno so storili?

• Ujeli so nevidni vmesni produkt. Predhodnik, iz katerega so sestavljene vse oblike vitamina K₂ (menakinon), je zelo nestabilen. Da bi ga "videli", so v drugi bakteriji izdelali prilagojen biosenzor – občutljivost se je povečala tisočkrat, za meritve pa je bila zadostna preprosta laboratorijska oprema.
• Preizkusili so genetiko in jo primerjali z modelom. Raziskovalci so spremenili ravni ključnih encimov poti in primerjali dejansko sproščanje predhodnika z napovedmi modela. Medtem ko je model upošteval, da je substrat "neskončen", se je vse razlikovalo. Vredno je bilo razmisliti o izčrpanosti začetka in napovedi so "padle" na svoje mesto: naleteli smo ne le na encime, temveč tudi na surovine za pot.
• Ugotovljena je bila vloga "arhitekture" DNK. Celo vrstni red genov encimske kaskade vpliva na raven nestabilnega vmesnega produkta. Prerazporeditev je povzročila opazne premike - to pomeni, da evolucija uporablja tudi geometrijo genoma kot regulator.

Ključne ugotovitve v preprostih izrazih

• L. lactis ohranja ravno dovolj predhodnih bakterij, da preživi in raste, ne da bi postala toksična. Samo "dodajanje encimov" ne pomaga, če ni dovolj substrata: to je kot da bi dali več pekačev za piškote, ne da bi dodali moko.
• "Zgornjo mejo" produkcije določata dva dejavnika skupaj: notranja regulacija poti in razpoložljivost vira. Poleg vsega tega je tu še vrstni red genov v operonu. Uglaševanje treh ravni hkrati vam omogoča, da presežete naravno mejo.

Zakaj je to potrebno?

• Vitamin K₂ je pomemben za strjevanje krvi, kosti in verjetno tudi za zdravje žil. Trenutno ga pridobivamo s kemično sintezo ali ekstrakcijo iz surovin – to je drago in ni zelo okolju prijazno. Z inženiringom varnih živilskih bakterij lahko K₂ pridobimo s fermentacijo – kar je ceneje in bolj »zeleno«.
• Razumevanje, kje so »zavore« v poti sinteze, je zemljevid za proizvajalce: možno je ustvariti seve, ki pri enaki količini krme in površini proizvedejo več vitamina, v prihodnosti pa celo probiotike, ki sintetizirajo K₂ neposredno v izdelku ali v črevesju (seveda strogo pod nadzorom).

Citati

• »Mikrobi, ki proizvajajo vitamine, imajo potencial, da preoblikujejo prehrano in medicino, vendar moramo najprej razvozlati njihove notranje 'zaporne ventile',« pravi soavtorica Caroline Aho-Franklin (Univerza Rice).
• »Ko smo upoštevali izčrpavanje substrata, se je model končno ujemal z eksperimentom: celice dosežejo naravno zgornjo mejo, ko zmanjka vira,« dodaja Oleg Igoshin.

Kaj to pomeni za industrijo – točka za točko

• Orodja: Zdaj je na voljo biosenzor za natančen nadzor in model, ki pravilno izračuna "ozka grla". To pospeši cikel "načrtovanje → preverjanje".
• Strategija skaliranja: Ne lovite enega "super encima". Prilagodite tri gumbe: dovajanje substrata → raven encimov → vrstni red genov. Na ta način imate večjo možnost, da presežete naravno mejo.
• Prenašanje: Načela ravnovesja med koristmi in toksičnostjo za kinone veljajo tudi za druge mikrobe in poti, od vitaminov do antibiotikov: preveč reaktivnih intermediatov in upad rasti.

Kje je previdnost?

To je temeljno delo na področju varnih bakterij za živila in v laboratorijskih pogojih. Pred delavnico so še vedno odprta vprašanja: stabilnost sevov, regulacija za "funkcionalne" izdelke, ekonomija skaliranja. Toda načrt - kam se obrniti in kaj meriti - že obstaja.

Povzetek

Da bi iz mikroba proizvedli več vitamina, ni dovolj le "dati plin" encimu – pomembno je tudi dobaviti gorivo in sestaviti pravo ožičenje. Študija mBio kaže, kako skupaj prilagoditi substrat, gene in regulacijo, da Lactococcus lactis spremenimo v zeleno tovarno K₂ – in vitamine naredimo cenejše in čistejše.

Vir: Li S. et al. Dvojni regulativni mehanizem in omejitve substrata uravnotežijo koristi za rast in toksičnost biosinteze kinona, mBio, 11. avgust 2025. doi.org/10.1128/mbio.00887-25.