Новое исследование раскрывает, как Lactococcus lactis (L. lactis), обычная пищевая бактерия, регулирует производство ключевого предшественника в биосинтезе витамина K₂ (менахинона). Бактерии производят достаточно этого предшественника, чтобы поддерживать свой рост, предотвращая при этом токсичное накопление.
Инженерное проектирование микробов для сверхпроизводства витаминов
Создание микроорганизмов, производящих витамины, представляет собой более экологичную и экономически эффективную альтернативу химическому синтезу или извлечению из растений и животных. Однако бактериальные клетки обычно ограничивают своё производство уровнем, необходимым для поддержания жизни.
Исследователи выявили, как доступность субстрата и генетическая архитектура устанавливают потолок производства, а также как эти ограничения можно преодолеть.
«Производство витаминов микробами может изменить питание и медицину, но сначала мы должны расшифровать их внутренние системы контроля», — сказала Кэролайн Аджо-Франклин, соавтор исследования, профессор наук о жизни Ральфа и Луни, директор Института синтетической биологии Райса и научный сотрудник Института профилактики рака и исследований Техаса (CPRIT). «Наша работа показывает, как L. lactis точно настраивает внутреннее снабжение предшественником K₂, что позволяет нам с точностью перенастроить его».
Исследование опубликовано в журнале mBio 11 августа. В нём основное внимание уделяется нестабильному промежуточному соединению, которое является основой для всех форм витамина K₂.
Методы исследования
Исследователи использовали трёхсторонний подход: биосенсинг, генетическую инженерию и математическое моделирование. Поскольку предшественник трудно обнаружить, команда создала специальный биосенсор в другой бактерии. Этот датчик в тысячи раз более чувствителен, чем обычные методы, и требует минимального лабораторного оборудования.
Затем исследователи использовали генетические инструменты для изменения уровней ферментов в биосинтетическом пути. Измеряя выход предшественника в различных условиях, они ввели результаты в математическую модель пути. Изначально модель предполагала неограниченный запас предшественника, но прогнозы не совпали с лабораторными результатами.
«Как только мы учли истощение исходного субстрата, выходные данные модели совпали с нашими экспериментальными данными», — сказал Олег Игошин, соавтор исследования и профессор биоинженерии и биологических наук. «Стало ясно, что клетки достигают естественного потолка производства, когда субстрат заканчивается».
Данные и моделирование показали, что L. lactis поддерживает уровень предшественника в оптимальном балансе, достаточно высоком для собственных нужд, но низком, чтобы избежать токсичности. Простое перепроизводство ферментов пути не увеличивало выход за пределы порога, поскольку материалы-предшественники становились ограниченными, подобно попытке испечь больше печенья с дополнительными противнями, но без достаточного количества муки.
Порядок генов, кодирующих ферменты, на ДНК также влиял на уровень предшественников: изменение порядка этих генов влияло на количество производимого промежуточного продукта. Это предполагает дополнительный уровень эволюционной регуляции, который до сих пор не был хорошо изучен.
«Настраивая одновременно подачу субстрата, экспрессию ферментов и порядок генов, мы можем повысить производство выше естественного потолка», — сказал Силианг Ли, первый автор исследования и бывший аспирант, который сейчас является научным сотрудником в Райсе.
Это открытие открывает двери для разработки L. lactis или других пищевых бактерий для производства большего количества витамина K₂ в процессах ферментации или даже в пробиотических составах.
«Расширенное производство может снизить потребность в сырье и лабораторных площадях, что в конечном итоге снизит затраты и приблизит к реальности обогащённые продукты питания и добавки», — сказал Цзянго Чжан, соавтор исследования и аспирант Райса.
Предоставлено Университетом Райса.
Другие новости по теме
- Биореакторы снижают содержание фосфора в сельскохозяйственных дренажных водах, показывает исследование
- Пещеры Южной Африки хранят подсказки о эпохе плейстоцена
- Судьба коралловых рифов зависит от скрытых сил океана, говорят учёные
- Паразитические черви эволюционировали для подавления нейронов в коже, говорится в исследовании
- Экстремальные климатические жары ведут к сокращению популяций тропических птиц: исследование
- Отслеживание нового лесного патогена, поражающего буковые деревья
- Модель метаболизма в масштабе генома может повысить урожайность картофеля
- Китайские инженеры, возможно, устранили последнее препятствие для поездов на маглеве со скоростью 1000 км/ч, которые сделают перелёты устаревшими
- Q&A: почему эти мохнатые гусеницы появляются каждые десять лет, а затем бесследно исчезают
- Исследование предлагает новый план действий для решения проблемы воздействия сельского хозяйства на биоразнообразие
Другие новости на сайте
- Серебряный клад викингов свидетельствует о широких торговых связях между Англией и исламским миром
- Японские учёные выяснили: гипергравитация увеличивает урожайность мха
- Дания, июль 2025 года: топ-5 автомобилей
- Экспериментальное устройство демонстрирует, как электронные пучки перестраивают структуру плазмы.
- Экспериментальное устройство демонстрирует, как электронные пучки перестраивают структуру плазмы.
- Как органическое вещество удерживает воду в почве — даже в самых засушливых условиях
- Микроскопия сверхвысокого разрешения раскрывает наномасштабную архитектуру взаимодействий антител и рецепторов
- Телескоп Хаббла раскрывает сложные детали в облаках, формирующих звёзды, в туманности Тарантул
- Blue Origin открывает возможность оплаты криптовалютой для полётов на суборбитальном корабле New Shepard через Shift4.
- Лучший BMW M для ежедневного использования в 2025 году: какой M-автомобиль сочетает комфорт и производительность?