Βιταμίνη K₂ με έναν νέο τρόπο: Πώς ένα μικρόβιο «τυρί» έμαθε στους επιστήμονες να κάνουν τις βιταμίνες φθηνότερες και πιο φιλικές προς το περιβάλλον

Μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο Rice ανακάλυψε γιατί τα βακτήρια Lactococcus lactis (το ίδιο ασφαλές «εργαλείο» των τυριών και του κεφίρ) αρνούνται πεισματικά να παράγουν υπερβολική ποσότητα του προδρόμου της βιταμίνης K₂ — και πώς να «αφαιρέσουν προσεκτικά τους περιοριστές». Αποδείχθηκε ότι τα κύτταρα ισορροπούν μεταξύ οφέλους (οι κινόνες είναι απαραίτητες για την ενέργεια) και τοξικότητας (η περίσσειά τους πυροδοτεί το οξειδωτικό στρες). Οι επιστήμονες έχουν συναρμολογήσει έναν υπερευαίσθητο βιοαισθητήρα, «έριξαν καλώδια» στις οδούς σύνθεσης και συνέδεσαν ένα μαθηματικό μοντέλο. Συμπέρασμα: δύο «κουρτίνες» παρεμβαίνουν ταυτόχρονα — η ενσωματωμένη ρύθμιση της οδού και η έλλειψη του αρχικού υποστρώματος. Επιπλέον, ακόμη και η σειρά των γονιδίων στο DNA είναι σημαντική. Εάν ρυθμίσετε τρία κουμπιά μαζί (υπόστρωμα → ένζυμα → σειρά γονιδίων), το ανώτατο όριο παραγωγής μπορεί να αυξηθεί. Η εργασία δημοσιεύθηκε στο mBio στις 11 Αυγούστου 2025.

Ιστορικό της μελέτης

• Γιατί όλοι χρειάζονται βιταμίνη K₂; Οι μενακινόνες (βιταμίνη K₂) είναι σημαντικές για την πήξη του αίματος, την υγεία των οστών και πιθανώς των αιμοφόρων αγγείων. Η ζήτηση για συμπληρώματα αυξάνεται και η κλασική χημική σύνθεση είναι ακριβή και όχι η πιο οικολογική. Η λογική λύση είναι η παρασκευή K₂ μέσω ζύμωσης σε ασφαλή τροφικά βακτήρια.
• Γιατί Lactococcus lactis; Είναι το βασικό συστατικό της γαλακτοκομικής βιομηχανίας, με καθεστώς GRAS. Είναι εύκολο στην καλλιέργεια, ασφαλές και χρησιμοποιείται ήδη στα τρόφιμα - η τέλεια βάση για τη μετατροπή του μικροβίου σε βιοεργοστάσιο βιταμινών.
• Πού βρίσκεται το πραγματικό αδιέξοδο; Η οδός βιοσύνθεσης του K₂ περνάει από ενδιάμεσα δραστικών κινονών. Αφενός, χρειάζονται από το κύτταρο (ενέργεια, μεταφορά ηλεκτρονίων), αλλά αφετέρου, σε περίσσεια γίνονται τοξικά (οξειδωτικό στρες). Επομένως, ακόμα κι αν «πειράξετε» τα ένζυμα, το ίδιο το κύτταρο θέτει όρια στον ρυθμό ροής.
• Αυτό που έλειπε πριν.
  • Ακριβείς μετρήσεις ασταθών ενδιάμεσων μεταβολιτών - είναι δύσκολο να «πιαστούν» με τυπικές μεθόδους.
  • Κατανόηση του κατά πόσον η χαμηλή παραγωγή οφείλεται στη ρύθμιση της οδού, στην έλλειψη αρχικού υποστρώματος ή... στην συχνά παραβλεπόμενη αρχιτεκτονική του οπερονίου (τη σειρά των γονιδίων στο DNA).
• Γιατί αυτό το έργο. Οι συγγραφείς χρειάζονταν:
  1. δημιουργήστε έναν ευαίσθητο βιοαισθητήρα για να μετρήσετε τελικά τα «ολισθηρά» ενδιάμεσα προϊόντα·
  2. συναρμολογήστε ένα μοντέλο ολόκληρου του καταρράκτη και ανακαλύψτε πού βρίσκονται τα πραγματικά «σημεία συμφόρησης».
  3. για να ελεγχθεί πώς τρία κουμπιά ταυτόχρονα επηρεάζουν την απελευθέρωση - την παροχή υποστρώματος, τα επίπεδα βασικών ενζύμων και τη σειρά των γονιδίων - και αν είναι δυνατόν να σπάσει το φυσικό ανώτατο όριο ενεργοποιώντας τα από κοινού.
• Πρακτικά. Αν κατανοήσετε πού ακριβώς «επιβραδύνει» το μικρόβιο, μπορείτε να σχεδιάσετε στελέχη που παράγουν περισσότερες βιταμίνες με τους ίδιους πόρους και να κάνουν την παραγωγή φθηνότερη και πιο φιλική προς το περιβάλλον. Αυτό είναι επίσης χρήσιμο για άλλες οδούς όπου οι «χρήσιμες» κινόνες βρίσκονται στα πρόθυρα της τοξικότητας - από βιταμίνες έως πρόδρομες ουσίες φαρμάκων.

Τι ακριβώς έκαναν;

• Πιάστηκε ένα αόρατο ενδιάμεσο προϊόν. Ο πρόδρομος από τον οποίο συναρμολογούνται όλες οι μορφές βιταμίνης K₂ (μενακινόνη) είναι πολύ ασταθής. Για να τον «δουν», κατασκευάστηκε ένας προσαρμοσμένος βιοαισθητήρας σε ένα άλλο βακτήριο - η ευαισθησία αυξήθηκε χιλιάδες φορές και ο απλός εργαστηριακός εξοπλισμός ήταν αρκετός για μετρήσεις.
• Ανέπτυξαν τη γενετική και τη συνέκριναν με το μοντέλο. Οι ερευνητές άλλαξαν τα επίπεδα των βασικών ενζύμων της οδού και συνέκριναν την πραγματική απελευθέρωση του προδρόμου με τις προβλέψεις του μοντέλου. Ενώ το μοντέλο θεωρούσε ότι το υπόστρωμα ήταν «άπειρο», όλα αποκλίνουν. Άξιζε να ληφθεί υπόψη η εξάντληση της αρχής και οι προβλέψεις «επιβεβαιώθηκαν»: αντιμετωπίζουμε όχι μόνο ένζυμα, αλλά και πρώτες ύλες για την οδό.
• Ο ρόλος της «αρχιτεκτονικής» του DNA βρέθηκε. Ακόμη και η σειρά των γονιδίων της ενζυμικής αλληλουχίας επηρεάζει το επίπεδο του ασταθούς ενδιάμεσου προϊόντος. Η αναδιάταξη έδωσε αισθητές μετατοπίσεις - αυτό σημαίνει ότι η εξέλιξη χρησιμοποιεί επίσης τη γεωμετρία του γονιδιώματος ως ρυθμιστή.

Βασικά ευρήματα με απλά λόγια

• Το L. lactis διατηρεί ακριβώς τον πρόδρομο οργανισμό που χρειάζεται για να επιβιώσει και να αναπτυχθεί χωρίς να υποστεί τοξικότητα. Η απλή «προσθήκη ενζύμων» δεν βοηθάει αν δεν υπάρχει αρκετό υπόστρωμα: είναι σαν να βάζετε περισσότερα ταψιά για μπισκότα χωρίς να προσθέτετε αλεύρι.
• Το «οροφή» παραγωγής καθορίζεται από δύο παράγοντες μαζί: την εσωτερική ρύθμιση της οδού και τη διαθεσιμότητα της πηγής. Επιπλέον, πάνω από όλα αυτά υπάρχει η σειρά των γονιδίων στο οπερόνιο. Ο συντονισμός τριών επιπέδων ταυτόχρονα σάς επιτρέπει να υπερβείτε το φυσικό όριο.

Γιατί είναι απαραίτητο αυτό;

• Η βιταμίνη K₂ είναι σημαντική για την πήξη του αίματος, τα οστά και πιθανώς την αγγειακή υγεία. Προς το παρόν, λαμβάνεται με χημική σύνθεση ή εξαγωγή από πρώτες ύλες - κάτι που είναι ακριβό και όχι πολύ φιλικό προς το περιβάλλον. Η κατασκευή ασφαλών βακτηρίων τροφίμων δίνει την ευκαιρία να παραχθεί K₂ μέσω ζύμωσης - φθηνότερο και πιο «πράσινο».
• Η κατανόηση των «φρένων» στην οδό σύνθεσης αποτελεί έναν χάρτη για τους παραγωγούς: είναι δυνατό να δημιουργηθούν στελέχη που παράγουν περισσότερη βιταμίνη με την ίδια ποσότητα τροφής και επιφάνεια, και στο μέλλον, ακόμη και προβιοτικά που συνθέτουν K₂ απευθείας στο προϊόν ή στα έντερα (φυσικά, αυστηρά υπό κανονισμούς).

Αποσπάσματα

• «Τα μικρόβια που παράγουν βιταμίνες έχουν τη δυνατότητα να μεταμορφώσουν τη διατροφή και την ιατρική, αλλά πρώτα πρέπει να αποκρυπτογραφήσουμε τις εσωτερικές τους «κρουνούς έκτακτης ανάγκης»», λέει η συν-συγγραφέας Caroline Aho-Franklin (Πανεπιστήμιο Rice).
• «Όταν λάβαμε υπόψη την εξάντληση του υποστρώματος, το μοντέλο τελικά ταίριαζε με το πείραμα: τα κύτταρα φτάνουν σε ένα φυσικό ανώτατο όριο όταν η πηγή εξαντλείται», προσθέτει ο Όλεγκ Ιγκόσιν.

Τι σημαίνει αυτό για τον κλάδο - αναλυτικά

• Εργαλεία: Τώρα υπάρχει ένας βιοαισθητήρας για λεπτό έλεγχο και ένα μοντέλο που υπολογίζει σωστά τα «σημεία συμφόρησης». Αυτό επιταχύνει τον κύκλο «σχεδιασμός → έλεγχος».
• Στρατηγική κλιμάκωσης: Μην κυνηγάτε ένα μόνο «υπερένζυμο». Αλλάξτε τρία κουμπιά: τροφοδοσία υποστρώματος → επίπεδα ενζύμων → σειρά γονιδίων. Με αυτόν τον τρόπο, έχετε μεγαλύτερες πιθανότητες να ξεπεράσετε το φυσικό όριο.
• Ανεκτικότητα: Οι αρχές ισορροπίας οφέλους/τοξικότητας για τις κινόνες ισχύουν και για άλλα μικρόβια και οδούς, από βιταμίνες έως αντιβιοτικά: πάρα πολλά δραστικά ενδιάμεσα και επιβράδυνση της ανάπτυξης.

Πού είναι η προσοχή;

Πρόκειται για θεμελιώδη εργασία σχετικά με ασφαλή βακτήρια τροφίμων και σε εργαστηριακές συνθήκες. Υπάρχουν ακόμη ερωτήματα πριν από το εργαστήριο: σταθερότητα στελεχών, ρύθμιση για «λειτουργικά» προϊόντα, οικονομία κλιμάκωσης. Αλλά ο χάρτης πορείας - πού να στραφούμε και τι να μετρήσουμε - υπάρχει ήδη.

Περίληψη

Για να παραχθεί περισσότερη βιταμίνη από ένα μικρόβιο, δεν αρκεί απλώς να «δώσουμε αέριο» σε ένα ένζυμο — είναι επίσης σημαντικό να παρέχουμε καύσιμο και να συναρμολογήσουμε τη σωστή καλωδίωση. Η μελέτη mBio δείχνει πώς να τροποποιήσουμε μαζί το υπόστρωμα, τα γονίδια και τη ρύθμιση για να μετατρέψουμε το Lactococcus lactis σε ένα πράσινο εργοστάσιο K₂ — και να κάνουμε τις βιταμίνες φθηνότερες και καθαρότερες.

Πηγή: Li S. et al. Τα οφέλη για την ανάπτυξη και η τοξικότητα της βιοσύνθεσης κινόνης εξισορροπούνται από έναν διπλό ρυθμιστικό μηχανισμό και περιορισμούς υποστρώματος, mBio, 11 Αυγούστου 2025. doi.org/10.1128/mbio.00887-25.