Бактерия из пищевых продуктов поможет удешевить и экологизировать производство витаминов

Новое исследование раскрывает, как Lactococcus lactis (L. lactis), распространённая пищевая бактерия, регулирует производство ключевого предшественника в биосинтезе витамина K₂ (менахинона). Бактерия производит достаточно этого предшественника для поддержания собственного роста, предотвращая при этом его токсическое накопление.

Инженерия микробов для сверхпродукции витаминов — более экологичная и экономичная альтернатива химическому синтезу или экстракции из растений и животных. Однако бактериальные клетки обычно ограничивают производство уровнями, достаточными для самоподдержания. Изучив систему контроля предшественника витамина K₂, исследователи выявили, как доступность субстрата и генетическая архитектура накладывают потолок производства, а также как эти ограничения можно снять.

«Микробы, производящие витамины, могут изменить питание и медицину, но сначала мы должны расшифровать их внутренние системы сдержек и противовесов», — заявила Каролин Ахо-Франклин, соавтор исследования, профессор бионаук и директор Института синтетической биологии Райса.

Исследование, опубликованное в журнале mBio 11 августа, фокусируется на нестабильном промежуточном соединении, которое является предшественником всех форм витамина K₂.

Методология исследования

Исследователи использовали трёхсторонний подход: биосенсорику, генную инженерию и математическое моделирование. Поскольку предшественник сложно детектировать, команда создала специальный биосенсор в другой бактерии. Этот сенсор в тысячи раз чувствительнее обычных методов и требует минимального лабораторного оборудования.

Затем с помощью генетических инструментов учёные изменили уровни ферментов в биосинтетическом пути. Измеряя выход предшественника в разных условиях, они загружали результаты в математическую модель пути. Изначально модель предполагала неограниченный запас субстрата, но её прогнозы не совпадали с лабораторными данными.

«Как только мы учли истощение исходного субстрата, выводы модели совпали с нашими экспериментальными данными», — сказал Олег Игошин, соавтор исследования и профессор биоинженерии. — Стало ясно, что клетки достигают естественного потолка производства, когда субстрат заканчивается».

Результаты и значение

Данные и моделирование показали, что L. lactis поддерживает уровень предшественника в оптимальном балансе: достаточно высоким для собственных нужд, но достаточно низким, чтобы избежать токсичности. Простое сверхэкспрессирование ферментов пути не увеличивало выход за порог, потому что исходные материалы становились лимитирующими.

Порядок генов, кодирующих ферменты, на ДНК также влиял на уровень предшественника: перестановка этих генов изменяла количество производимого клеткой промежуточного продукта. Это указывает на дополнительный, плохо изученный эволюционный уровень регуляции.

«Настраивая одновременно доступность субстрата, экспрессию ферментов и порядок генов, мы можем поднять производство выше естественного потолка», — сказал Силян Ли, первый автор исследования.

Это открывает путь для инженерии L. lactis или других пищевых бактерий с целью увеличения производства витамина K₂ в процессах ферментации или даже в пробиотических формулах.

«Усиленное производство может снизить потребность в сырье и лабораторных площадях, что в конечном итоге снизит стоимость и приблизит появление обогащённых продуктов и добавок», — сказал Цзянго Чжан, соавтор исследования.