新研究揭示了如何突破天然限制提升維生素K2產(chǎn)量，為生產(chǎn)更便宜、更健康的產(chǎn)品鋪平道路。

一項(xiàng)新研究揭示了一種廣泛使用的食品細(xì)菌如何調(diào)控其內(nèi)部化學(xué)過(guò)程以生存和繁衍。這一發(fā)現(xiàn)可能為食品和健康產(chǎn)業(yè)帶來(lái)更環(huán)保、更廉價(jià)的維生素生產(chǎn)方式。

維生素K2（又名甲萘醌）對(duì)骨骼健康、血液凝固和心血管功能至關(guān)重要。它由某些細(xì)菌自然產(chǎn)生，其中包括常用于乳制品發(fā)酵的乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）。

這種微生物會(huì)產(chǎn)生一種對(duì)所有形式維生素K2都至關(guān)重要的不穩(wěn)定中間產(chǎn)物。但它僅產(chǎn)生足夠支持自身生長(zhǎng)的量，以防止該物質(zhì)積累到有毒水平。

這種天然的自我限制系統(tǒng)給那些試圖改造細(xì)菌以生產(chǎn)更多維生素的人帶來(lái)了挑戰(zhàn)。微生物往往將產(chǎn)量限制在自給自足的水平，這阻礙了商業(yè)化應(yīng)用。

改造微生物使其生產(chǎn)額外的維生素，可以替代能源密集型的化學(xué)合成或植物提取法，但科學(xué)家們必須首先了解其生物學(xué)中內(nèi)置的生產(chǎn)“剎車”。

“產(chǎn)維生素微生物有可能改變營(yíng)養(yǎng)學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，但我們必須首先破譯它們內(nèi)在的制衡機(jī)制，”該研究的共同通訊作者、萊斯大學(xué)合成生物學(xué)研究所所長(zhǎng)卡羅琳·阿霍-富蘭克林（Caroline Ajo-Franklin）說(shuō)。她表示，他們的工作揭示了乳酸乳球菌如何微調(diào)其供應(yīng)，為精確的基因重組創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。

追蹤難檢測(cè)化合物

研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合了生物傳感、基因工程和數(shù)學(xué)建模來(lái)研究這一過(guò)程。

由于維生素K2的前體物質(zhì)難以測(cè)量，他們?cè)诹硪环N細(xì)菌中構(gòu)建了一個(gè)高靈敏度的生物傳感器。該裝置的靈敏度是傳統(tǒng)工具的數(shù)千倍，且所需實(shí)驗(yàn)室設(shè)備極少。

研究人員隨后改變了維生素生物合成途徑中的酶水平，并在不同條件下測(cè)量了產(chǎn)量。這些結(jié)果被輸入到一個(gè)數(shù)學(xué)模型中。起初，模型假設(shè)起始原料供應(yīng)無(wú)限，但其預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)室結(jié)果不符。

“一旦我們考慮到起始底物的消耗，模型的輸出就與我們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合了，”共同通訊作者奧列格·伊戈辛（Oleg Igoshin）說(shuō)。情況變得很清楚：當(dāng)?shù)孜锊蛔銜r(shí)，產(chǎn)量就達(dá)到了上限，這就像試圖用額外的烤盤烤更多餅干，卻沒(méi)有足夠的面粉一樣。

基因序列塑造生產(chǎn)極限

該團(tuán)隊(duì)在DNA上編碼酶的基因排列順序中發(fā)現(xiàn)了另一層調(diào)控機(jī)制。重新排列這些基因改變了細(xì)胞產(chǎn)生的中間產(chǎn)物的量。

這表明存在一種進(jìn)化機(jī)制，以我們之前尚未完全理解的方式控制著生產(chǎn)。

“通過(guò)同時(shí)調(diào)節(jié)底物供應(yīng)、酶表達(dá)和基因序列，我們可以將產(chǎn)量推高至自然上限之上，”該研究的第一作者、現(xiàn)為萊斯大學(xué)博士后的李思亮（音譯）說(shuō)。

提高乳酸乳球菌的產(chǎn)量可以實(shí)現(xiàn)更高效的發(fā)酵過(guò)程，甚至開(kāi)發(fā)出能提供更高劑量維生素K2的益生菌補(bǔ)充劑。

共同第一作者張建國(guó)（音譯）表示，更高的效率可以減少原料需求和實(shí)驗(yàn)室空間，從而降低強(qiáng)化食品和補(bǔ)充劑的成本。

該研究發(fā)表在《mBio》期刊上，并得到了德克薩斯州癌癥預(yù)防與研究所和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的支持。

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