Vitamín K₂ novým spôsobom: Ako „syrový“ mikrób naučil vedcov vyrábať vitamíny lacnejšie a ekologickejšie

Tím z Rice University zistil, prečo baktérie Lactococcus lactis (ten istý bezpečný „pracant“ syrov a kefíru) tvrdohlavo odmietajú produkovať priveľa prekurzora vitamínu K₂ – a ako opatrne „odstrániť obmedzovače“. Ukázalo sa, že bunky vyvažujú medzi prospechom (chinóny sú potrebné pre energiu) a toxicitou (ich nadbytok spúšťa oxidačný stres). Vedci zostavili supercitlivý biosenzor, „nahodili drôty“ do syntetických dráh a prepojili matematický model. Záver: dve „záclony“ naraz zasahujú – vstavaná regulácia dráhy a nedostatok počiatočného substrátu; navyše je dôležité aj poradie génov na DNA. Ak nastavíte tri gombíky súčasne (substrát → enzýmy → poradie génov), je možné zvýšiť výstupný strop. Práca bola publikovaná v mBio 11. augusta 2025.

Pozadie štúdie

• Prečo každý potrebuje vitamín K₂? Menachinóny (vitamín K₂) sú dôležité pre zrážanlivosť krvi, zdravie kostí a pravdepodobne aj ciev. Dopyt po doplnkoch výživy rastie a klasická chemická syntéza je drahá a nie je najekologickejšia. Logickým riešením je výroba K₂ fermentáciou na bezpečných potravinárskych baktériách.
• Prečo Lactococcus lactis? Je to ťažný kôň mliekarenstva so statusom GRAS. Je ľahko kultivovateľný, bezpečný a už používaný v potravinách – perfektný základ pre premenu mikróbu na vitamínovú biotováreň.
• Kde je skutočná slepá ulička? Biosyntetická dráha K₂ vedie cez reaktívne chinónové medziprodukty. Na jednej strane ich bunka potrebuje (energia, prenos elektrónov), ale na druhej strane sa v nadmernom množstve stávajú toxickými (oxidačný stres). Preto aj keď „upravíte“ enzýmy, samotná bunka si stanoví limity pre prietok.
• Čo predtým chýbalo.
  • Presné merania nestabilných medziproduktov metabolitov – štandardnými metódami sa ťažko „zachytávajú“.
  • Pochopenie toho, či je nízky výstup spôsobený reguláciou dráhy, nedostatkom počiatočného substrátu alebo... často prehliadanou architektúrou operónu (poradie génov v DNA).
• Prečo táto práca. Autori potrebovali:
  1. vytvoriť citlivý biosenzor na konečné meranie „klzkých“ medziproduktov;
  2. zostaviť model celej kaskády a zistiť, kde sú skutočné „úzke miesta“;
  3. otestovať, ako tri gombíky naraz ovplyvňujú uvoľňovanie – prísun substrátu, hladiny kľúčových enzýmov a poradie génov – a či je možné prelomiť prirodzený strop ich spoločným otáčaním.
• Praktický zmysel. Ak pochopíte, kde presne sa mikrób „spomaľuje“, môžete navrhnúť kmene, ktoré produkujú viac vitamínov s rovnakými zdrojmi a zlacňujú výrobu a robia ju ekologickejšou. To je užitočné aj pre iné dráhy, kde sú „užitočné“ chinóny na hranici toxicity – od vitamínov až po prekurzory liekov.

Čo presne urobili?

• Bol zachytený neviditeľný medziprodukt. Prekurzor, z ktorého sa skladajú všetky formy vitamínu K₂ (menachinón), je veľmi nestabilný. Aby sa ho „videl“, bol v inej baktérii vyrobený vlastný biosenzor – citlivosť sa zvýšila tisíckrát a na merania stačilo jednoduché laboratórne vybavenie.
• Prepracovali genetiku a porovnali ju s modelom. Výskumníci zmenili hladiny kľúčových enzýmov dráhy a porovnali skutočné uvoľňovanie prekurzora s predpoveďami modelu. Zatiaľ čo model bral do úvahy, že substrát je „nekonečný“, všetko sa odchyľovalo. Stalo sa zvážiť vyčerpanie štartovacej zložky a predpovede „dopadli“ na svoje miesto: narážame nielen na enzýmy, ale aj na suroviny pre dráhu.
• Bola zistená úloha „architektúry“ DNA. Dokonca aj poradie génov enzýmovej kaskády ovplyvňuje hladinu nestabilného medziproduktu. Preskupenie spôsobilo znateľné posuny – to znamená, že evolúcia využíva geometriu genómu aj ako regulátor.

Kľúčové zistenia v jednoduchých vyjadreniach

• L. lactis si uchováva práve toľko prekurzorov, aby prežila a rástla bez toho, aby sa stala toxicitou. Samotné „pridávanie enzýmov“ nepomôže, ak nie je dostatok substrátu: je to ako keby ste dali viac plechov na pečenie bez pridania múky.
• Produkčný „strop“ je určený dvoma vecami súčasne: vnútornou reguláciou dráhy a dostupnosťou zdroja. Navyše k tomu všetkému je potrebné pridať poradie génov v operóne. Ladenie troch úrovní naraz vám umožňuje prekročiť prirodzený limit.

Prečo je to potrebné?

• Vitamín K₂ je dôležitý pre zrážanlivosť krvi, kosti a pravdepodobne aj pre zdravie ciev. V súčasnosti sa získava chemickou syntézou alebo extrakciou zo surovín – to je drahé a nie veľmi šetrné k životnému prostrediu. Vytvorenie bezpečných potravinárskych baktérií dáva šancu vyrobiť K₂ fermentáciou – lacnejšie a „zelenšie“.
• Pochopenie toho, kde sa nachádzajú „brzdy“ v syntéznej dráhe, je pre výrobcov mapou: je možné vytvoriť kmene, ktoré produkujú viac vitamínu pri rovnakom množstve krmiva a plochy, a v budúcnosti dokonca aj probiotiká, ktoré syntetizujú K₂ priamo v produkte alebo v črevách (samozrejme, prísne podliehajúce regulácii).

Citáty

• „Mikróby produkujúce vitamíny majú potenciál transformovať výživu a medicínu, ale najprv musíme rozlúštiť ich vnútorné „núdzové uzatváracie kohútiky“,“ hovorí spoluautorka Caroline Aho-Franklinová (Rice University).
• „Keď sme zohľadnili vyčerpanie substrátu, model sa nakoniec zhodoval s experimentom: bunky narazili na prirodzený strop, keď sa zdroj vyčerpal,“ dodáva Oleg Igoshin.

Čo to znamená pre odvetvie – bod po bode

• Nástroje: Teraz je k dispozícii biosenzor pre jemnú kontrolu a model, ktorý správne vypočítava „úzke miesta“. To urýchľuje cyklus „návrh → kontrola“.
• Stratégia škálovania: Nenaháňajte sa za jedným „superenzýmom“. Upravte tri gombíky: prísun substrátu → hladiny enzýmov → poradie génov. Týmto spôsobom máte väčšiu šancu prekročiť prirodzený limit.
• Znášanlivosť: Princípy rovnováhy prínosu a toxicity pre chinóny platia aj pre iné mikróby a metabolické dráhy, od vitamínov až po antibiotiká: príliš veľa reaktívnych medziproduktov a pokles rastu.

Kde je opatrnosť?

Ide o zásadnú prácu na bezpečných potravinových baktériách a v laboratórnych podmienkach. Pred workshopom sú stále otázky: stabilita kmeňa, regulácia „funkčných“ produktov, ekonomika škálovania. Ale plán – kam sa obrátiť a čo merať – už existuje.

Zhrnutie

Na to, aby sa z mikróba vyrobilo viac vitamínov, nestačí len „dať plyn“ enzýmu – je tiež dôležité dodať palivo a zostaviť správne zapojenie. Štúdia mBio ukazuje, ako upraviť substrát, gény a reguláciu spoločne, aby sa Lactococcus lactis premenil na zelenú továreň na K₂ – a vitamíny sa stali lacnejšími a čistejšími.

Zdroj: Li S. a kol. Rastové prínosy a toxicita biosyntézy chinónov sú vyvážené dvojitým regulačným mechanizmom a obmedzeniami substrátu, mBio, 11. augusta 2025. doi.org/10.1128/mbio.00887-25.