Vitamín K₂ novým způsobem: Jak „sýrový“ mikrob naučil vědce vyrábět vitamíny levněji a ekologičtěji

Tým z Rice University zjistil, proč bakterie Lactococcus lactis (ten samý bezpečný „pracant“ sýrů a kefíru) tvrdohlavě odmítají produkovat příliš mnoho prekurzoru vitaminu K₂ – a jak opatrně „odstranit omezovače“. Ukázalo se, že buňky balancují mezi prospěšností (chinony jsou potřebné pro energii) a toxicitou (jejich nadbytek spouští oxidační stres). Vědci sestavili supercitlivý biosenzor, „nahodili dráty“ do syntetických drah a propojili matematický model. Závěr: zasahují do procesu hned dvě „oponsy“ – vestavěná regulace dráhy a nedostatek výchozího substrátu; navíc je důležité i pořadí genů na DNA. Pokud nastavíte tři knoflíky současně (substrát → enzymy → pořadí genů), lze zvýšit výstupní strop. Práce byla publikována v mBio 11. srpna 2025.

Pozadí studie

• Proč každý potřebuje vitamín K₂? Menachinony (vitamín K₂) jsou důležité pro srážení krve, zdraví kostí a pravděpodobně i cév. Poptávka po doplňcích stravy roste a klasická chemická syntéza je drahá a ne nejekologičtější. Logickým řešením je výroba K₂ fermentací na bezpečných potravinářských bakteriích.
• Proč Lactococcus lactis? Je to tahoun mlékárenského průmyslu se statusem GRAS. Je snadno kultivovatelný, bezpečný a již používaný v potravinách – perfektní základ pro přeměnu mikrobu na biotovárnu na vitamíny.
• Kde je skutečná slepá ulička? Biosyntetická dráha K₂ vede přes reaktivní chinonové meziprodukty. Na jedné straně jsou pro buňku potřebné (energie, přenos elektronů), ale na druhé straně se v nadměrném množství stávají toxickými (oxidační stres). Proto i když „upravíte“ enzymy, samotná buňka si nastaví limity pro rychlost průtoku.
• Co dříve chybělo.
  • Přesná měření nestabilních mezilehlých metabolitů – standardními metodami je obtížné je „zachytit“.
  • Pochopení toho, zda je nízký výstup způsoben regulací metabolických drah, nedostatkem iniciálního substrátu nebo… často přehlíženou architekturou operonu (pořadím genů v DNA).
• Proč tato práce. Autoři potřebovali:
  1. vytvořit citlivý biosenzor pro konečné měření „kluzkých“ meziproduktů;
  2. sestavte model celé kaskády a zjistěte, kde jsou skutečná „úzká hrdla“;
  3. otestovat, jak tři knoflíky najednou ovlivňují uvolňování – přísun substrátu, hladiny klíčových enzymů a pořadí genů – a zda je možné prorazit přirozený strop jejich souběžným otáčením.
• Praktický smysl. Pokud pochopíte, kde přesně se mikrob „zpomaluje“, můžete navrhnout kmeny, které produkují více vitamínů se stejnými zdroji a zlevní výrobu a učiní ji ekologičtější. To je užitečné i pro jiné metabolické dráhy, kde jsou „užitečné“ chinony na hranici toxicity – od vitamínů až po prekurzory léčiv.

Co přesně udělali?

• Byl zachycen neviditelný meziprodukt. Prekurzor, ze kterého se sestavují všechny formy vitaminu K₂ (menachinon), je velmi nestabilní. Aby bylo možné ho „vidět“, byl v jiné bakterii vyroben vlastní biosenzor – citlivost se zvýšila tisíckrát a pro měření stačilo jednoduché laboratorní vybavení.
• Proměnili genetiku a porovnali ji s modelem. Vědci změnili hladiny klíčových enzymů metabolické dráhy a porovnali skutečné uvolňování prekurzoru s předpovědmi modelu. Zatímco model předpokládal, že substrát je „nekonečný“, všechno se odchylovalo. Stálo za to zvážit vyčerpání startu a předpovědi „dopadly“ na své místo: narážíme nejen na enzymy, ale také na suroviny pro metabolickou dráhu.
• Byla zjištěna role „architektury“ DNA. Dokonce i pořadí genů v enzymové kaskádě ovlivňuje hladinu nestabilního meziproduktu. Přesmyk způsobil znatelné posuny – to znamená, že evoluce také využívá geometrii genomu jako regulátor.

Klíčová zjištění v jednoduchých termínech

• L. lactis si uchovává dostatek prekurzorů k přežití a růstu bez toxických účinků. Pouhé „přidání enzymů“ nepomůže, pokud není dostatek substrátu: je to jako dát na plech více sušenek bez přidání mouky.
• Produkční „strop“ je určen dvěma faktory dohromady: vnitřní regulací signální dráhy a dostupností zdroje. Navíc k tomu všemu ještě přispívá pořadí genů v operonu. Ladění tří úrovní najednou umožňuje překročit přirozený limit.

Proč je to nutné?

• Vitamín K₂ je důležitý pro srážení krve, kosti a pravděpodobně i pro zdraví cév. V současné době se získává chemickou syntézou nebo extrakcí ze surovin – to je drahé a nepříliš šetrné k životnímu prostředí. Vyvinutí bezpečných potravinářských bakterií dává šanci vyrobit K₂ fermentací – levněji a „zeleněji“.
• Pochopení, kde se nacházejí „brzdy“ v syntetické dráze, je pro producenty mapou: je možné vytvořit kmeny, které produkují více vitamínu při stejném množství krmiva a plochy, a v budoucnu dokonce i probiotika, která syntetizují K₂ přímo v produktu nebo ve střevech (samozřejmě za přísné regulace).

Citáty

• „Mikroby produkující vitamíny mají potenciál transformovat výživu a medicínu, ale nejprve musíme rozluštit jejich vnitřní ‚nouzové kohoutky‘,“ říká spoluautorka Caroline Aho-Franklinová (Rice University).
• „Když jsme vzali v úvahu vyčerpání substrátu, model se konečně shodoval s experimentem: buňky dosáhly přirozeného stropu, když dojde zdroj,“ dodává Oleg Igošin.

Co to znamená pro toto odvětví – bod po bodu

• Nástroje: Nyní je k dispozici biosenzor pro jemné řízení a model, který správně vypočítává „úzká hrdla“. To urychluje cyklus „návrh → kontrola“.
• Strategie škálování: Nehoňte se za jedním „superenzymem“. Upravte tři knoflíky: přísun substrátu → hladiny enzymů → pořadí genů. Tímto způsobem máte větší šanci prolomit přirozený limit.
• Snášenlivost: Principy rovnováhy přínosu a toxicity pro chinony platí i pro jiné mikroby a metabolické dráhy, od vitamínů po antibiotika: příliš mnoho reaktivních meziproduktů a pokles růstu.

Kde je opatrnost?

Toto je zásadní práce na bezpečné potravinářské bakterii a v laboratorních podmínkách. Před workshopem stále zbývají otázky: stabilita kmenů, regulace „funkčních“ produktů, ekonomika škálování. Ale plán – kam se obrátit a co měřit – již existuje.

Shrnutí

Aby se z mikroba vyprodukovalo více vitamínů, nestačí jen „dodat plyn“ enzymu – je také důležité dodat palivo a sestavit správné zapojení. Studie mBio ukazuje, jak upravit substrát, geny a regulaci dohromady, aby se Lactococcus lactis proměnil v zelenou továrnu na K₂ – a vitamíny se staly levnějšími a čistšími.

Zdroj: Li S. a kol. Růstové přínosy a toxicita biosyntézy chinonů jsou vyváženy dvojím regulačním mechanismem a omezeními substrátu, mBio, 11. srpna 2025. doi.org/10.1128/mbio.00887-25.