Вчені навчилися змушувати бактерії виробляти більше вітаміну К₂

Науковці з Університету Райса розробили новий підхід до перепрограмування бактерій для збільшення виробництва вітаміну К₂, який широко використовується у харчових добавках та збагачених продуктах. Це дослідження відкриває шлях до більш екологічного та економічно ефективного виробництва вітамінів порівняно з хімічним синтезом або екстракцією з рослин і тварин.

Бактеріальні клітини зазвичай обмежують своє виробництво до рівня, необхідного для самопідтримання. Дослідники детально вивчили систему контролю попередника вітаміну К₂ та визначили, як доступність субстрату та генетична архітектура створюють стелю виробництва, а також способи подолання цих обмежень.

«Мікроби, що виробляють вітаміни, можуть трансформувати харчування та медицину, але спочатку ми повинні розшифрувати їхні внутрішні системи стримувань і противаг», — каже Керолайн Ажо-Франклін, співавтор дослідження, професор біонаук, директор Інституту синтетичної біології Райса та стипендіат Техаського інституту профілактики раку та досліджень.

«Наша робота показує, як Lactococcus lactis тонко налаштовує своє внутрішнє постачання попередника К₂, дозволяючи нам перепрограмувати його з точністю», — додає вона.

Дослідження, опубліковане у журналі mBio, зосереджується на нестабільній проміжній сполуці, яка є каналом для всіх форм вітаміну К₂. Науковці застосували триступеневий підхід: біосенсорику, генетичну інженерію та математичне моделювання.

Оскільки попередник важко виявити, команда створила спеціальний біосенсор у іншій бактерії. Цей сенсор у тисячі разів чутливіший за традиційні методи та потребує мінімального лабораторного обладнання.

Далі дослідники використали генетичні інструменти для зміни рівнів ферментів у біосинтетичному шляху. Вимірюючи вихід попередника за різних умов, вони ввели результати в математичну модель шляху. Спочатку модель передбачала необмежене постачання попередника, але прогнози не збігалися з лабораторними результатами.

«Коли ми врахували виснаження початкового субстрату, вихід моделі збігся з нашими експериментальними даними», — каже Олег Ігошин, співавтор та професор біоінженерії та біонаук. «Стало зрозуміло, що клітини досягають природної стелі виробництва, коли субстрат закінчується».

Дані та моделювання показали, що Lactococcus lactis підтримує рівні попередника в оптимальному балансі — достатньо високі для власних потреб, але достатньо низькі, щоб уникнути токсичності. Просте надмірне вираження ферментів шляху не збільшило вихід понад поріг, оскільки матеріали попередника стали обмеженими. Це схоже на спробу спекти більше печива з додатковими противнями, але без достатньої кількості борошна.

Порядок генів, що кодують ферменти, на ДНК також впливав на рівні попередника. Перестановка цих генів змінювала кількість проміжного продукту, який виробляла клітина. Це свідчить про додатковий рівень еволюційної регуляції, який раніше не був добре зрозумілий.

«Налаштовуючи постачання субстрату, експресію ферментів та порядок генів одночасно, ми можемо підштовхнути виробництво вище природної стелі», — каже Сіліанг Лі, перший автор дослідження та колишній аспірант, який зараз є постдокторантом у Райсі.

Це розуміння відкриває двері для інженерії Lactococcus lactis або інших харчових бактерій для виробництва більшої кількості вітаміну К₂ у процесах ферментації або навіть у пробіотичних формулах.

Вітамін К₂ відіграє важливу роль у здоров'ї кісток та серцево-судинній системі. Він допомагає активувати білки, які регулюють метаболізм кальцію, забезпечуючи його правильне відкладення в кістках, а не в артеріях. Традиційні методи отримання цього вітаміну включають хімічний синтез або екстракцію з природних джерел, що може бути дорогим та екологічно шкідливим процесом.

Використання генетично модифікованих бактерій для виробництва вітамінів представляє більш сталий підхід. Бактерії можна вирощувати у контрольованих умовах, використовуючи відносно прості поживні середовища, що робить процес більш передбачуваним та економічно ефективним.

«Покращене виробництво може зменшити потребу в сировині та лабораторному просторі, зрештою знизивши витрати та наблизивши збагачені продукти та добавки до реальності», — каже Цзянго Чжан, співперший автор та аспірант Райса.

Дослідження також має значення для розуміння того, як бактерії регулюють свій метаболізм. Виявлення того, що порядок генів впливає на виробництво метаболітів, додає новий вимір до розуміння бактеріальної фізіології та може мати застосування в інших областях біотехнології.

Команда планує продовжити роботу над оптимізацією виробництва вітаміну К₂ та дослідити можливості застосування подібних підходів для інших вітамінів та корисних сполук. Це може призвести до розробки нових пробіотичних продуктів, які не тільки підтримують здоров'я кишечника, але й забезпечують організм важливими вітамінами.

Дослідження було підтримано Техаським інститутом профілактики раку та досліджень та Національним науковим фондом, а також сприяв йому Інститут синтетичної біології Райса. Ця робота демонструє потенціал синтетичної біології для вирішення практичних проблем у галузі харчування та охорони здоров'я.