۱۱ آگوست ۲۰۲۵، عکس از نویسنده: امیر خُلَم-دانشمند در طول آزمایش تحقیقات ویتامین، یک بشقاب آزمایشگاهی شفاف را بررسی می‌کند.جف فیتلو/دانشگاه رایس
یک مطالعه جدید نشان داده است که چگونه یک باکتری غذایی پرکاربرد، شیمی داخلی خود را برای زنده ماندن و رشد مدیریت می‌کند. این کشف می‌تواند راه را برای تولید ویتامین سبزتر و ارزان‌تر برای صنایع غذایی و بهداشتی هموار کند.
ویتامین K₂ یا مناکینون، نقش کلیدی در سلامت استخوان، لخته شدن خون و عملکرد قلبی عروقی دارد. این ویتامین به طور طبیعی توسط باکتری‌های خاصی از جمله لاکتوکوکوس لاکتیس، یکی از اجزای اصلی تخمیر لبنیات، تولید می‌شود.
این میکروب یک ترکیب واسطه ناپایدار ضروری برای همه اشکال ویتامین K₂ تولید می‌کند. اما فقط به اندازه‌ای تولید می‌کند که بتواند رشد خود را پشتیبانی کند و از تجمع مواد سمی جلوگیری کند.
این سیستم خود محدودکننده طبیعی، چالشی را برای کسانی که سعی در مهندسی باکتری‌ها برای تولید ویتامین‌های بیشتر دارند، ایجاد می‌کند. میکروب‌ها تمایل دارند تولید را در سطوح خودپایدار محدود کنند و کاربردهای تجاری را کند کنند.
مهندسی آنها برای تولید ویتامین‌های اضافی می‌تواند جایگزین سنتز شیمیایی پرانرژی یا استخراج گیاهی شود، اما دانشمندان ابتدا باید “ترمزهای” تولید موجود در زیست‌شناسی آنها را درک کنند.
کارولین آجو-فرانکلین، نویسنده مسئول این مطالعه و مدیر موسسه زیست‌شناسی مصنوعی رایس، گفت: “میکروب‌های تولیدکننده ویتامین می‌توانند تغذیه و دارو را متحول کنند، اما ابتدا باید کنترل‌ها و تعادل‌های ذاتی آنها را رمزگشایی کنیم.”
او گفت که کار آنها نشان می‌دهد که چگونه L. lactis عرضه خود را تنظیم می‌کند و دریچه‌ای برای بازآرایی ژنتیکی دقیق ایجاد می‌کند. ردیابی ترکیبی که تشخیص آن دشوار است
تیم تحقیقاتی، حسگر زیستی، مهندسی ژنتیک و مدل‌سازی ریاضی را برای مطالعه این فرآیند ترکیب کردند.
از آنجا که اندازه‌گیری پیش‌ساز ویتامین K₂ دشوار است، آنها یک حسگر زیستی بسیار حساس در یک باکتری متفاوت ساختند. این دستگاه هزاران برابر حساس‌تر از ابزارهای مرسوم است و به تجهیزات آزمایشگاهی کمی نیاز دارد.
سپس محققان سطح آنزیم را در مسیر بیوسنتز ویتامین تغییر دادند و خروجی را تحت شرایط مختلف اندازه‌گیری کردند. این نتایج به یک مدل ریاضی وارد شد. در ابتدا، مدل فرض می‌کرد که منبع نامحدودی از ماده اولیه وجود دارد، اما پیش‌بینی‌ها با نتایج آزمایشگاهی مطابقت نداشت.
اولگ ایگوشین، نویسنده همکار مسئول، گفت: “هنگامی که ما اجازه دادیم بستر اولیه تخلیه شود، خروجی مدل با داده‌های تجربی ما مطابقت داشت.” مشخص شد که وقتی بستر کم می‌شود، تولید به سقف می‌رسد، مانند تلاش برای پختن کوکی‌های بیشتر با سینی‌های اضافی اما بدون آرد کافی.
این تیم یک لایه کنترل دیگر در ترتیب ژن‌های رمزگذاری کننده آنزیم روی DNA پیدا کرد. بازآرایی این ژن‌ها، میزان ترکیب واسطه‌ای که سلول‌ها تولید می‌کردند را تغییر داد.این نشان دهنده یک مکانیسم تکاملی است که تولید را به روش‌هایی که قبلاً به طور کامل شناخته نشده بودند، کنترل می‌کند.
سیلیانگ لی، نویسنده اول مقاله و اکنون دانشجوی فوق دکترا در دانشگاه رایس، گفت: «با تنظیم همزمان منبع سوبسترا، بیان آنزیم و ترتیب ژن، می‌توانیم تولید را به بالاتر از سقف طبیعی برسانیم.»
افزایش تولید L. lactis می‌تواند فرآیندهای تخمیر کارآمدتر و حتی مکمل‌های پروبیوتیکی را که دوزهای بالاتری از ویتامین K₂ را ارائه می‌دهند، ممکن سازد.
جیانگگو ژانگ، نویسنده اول مقاله، گفت که راندمان بیشتر می‌تواند نیاز به مواد اولیه و فضای آزمایشگاهی را کاهش دهد و هزینه‌های مواد غذایی و مکمل‌های غنی‌شده را کاهش دهد.
این مطالعه که در mBio منتشر شده است، توسط موسسه پیشگیری و تحقیقات سرطان تگزاس و بنیاد ملی علوم پشتیبانی شده است.
