Новое исследование раскрывает, как перестроить работу бактерий для увеличения производства витамина K₂, используемого в добавках и обогащённых продуктах.
Создание генетически модифицированных микробов для сверхпроизводства витаминов — это более экологичная и экономически выгодная альтернатива химическому синтезу или извлечению из растений и животных.
Однако бактериальные клетки обычно ограничивают производство до уровня, необходимого для их собственного выживания. Исследователи выяснили, как доступность субстрата и генетическая архитектура ограничивают производство, а также как эти ограничения можно преодолеть.
«Микробы, производящие витамины, могут изменить подходы в питании и медицине, но сначала мы должны расшифровать их внутренние механизмы контроля», — говорит Кэролайн Аджо-Франклин, соавтор исследования, профессор биологических наук, директор Института синтетической биологии Райса и стипендиат Исследовательского института профилактики рака штата Техас (CPRIT).
«Наша работа показывает, как L. lactis (Lactococcus lactis) точно регулирует внутреннее снабжение предшественником K₂, что позволяет нам точно перестроить его работу», — добавляет она.
Исследование, опубликованное в журнале mBio, сосредоточено на нестабильном промежуточном соединении, которое участвует в синтезе всех форм витамина K₂.
Учёные использовали трёхсторонний подход: биосенсинг, генную инженерию и математическое моделирование. Поскольку предшественник трудно обнаружить, команда создала специальный биосенсор в другой бактерии. Этот сенсор в тысячи раз чувствительнее обычных методов и требует минимального лабораторного оборудования.
Затем исследователи использовали генетические инструменты для изменения уровней ферментов в биосинтетическом пути. Измерив выход предшественника в различных условиях, они ввели результаты в математическую модель пути. Первоначально модель предполагала неограниченный запас предшественника, но прогнозы не совпали с лабораторными результатами.
«Как только мы учли истощение исходного субстрата, результаты модели совпали с нашими экспериментальными данными», — говорит Олег Игошин, соавтор исследования и профессор биоинженерии и биологических наук.
«Стало ясно, что клетки достигают естественного потолка производства, когда субстрат заканчивается», — поясняет он.
Данные и моделирование показали, что L. lactis поддерживает уровень предшественника в оптимальном балансе: достаточно высоком для собственных нужд, но низком, чтобы избежать токсичности. Простое повышение экспрессии ферментов пути не увеличивало выход за порог, поскольку 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 уровни предшественников: перестановка этих генов изменяла 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 превысить естественный потолок производства», — говорит Силианг Ли, первый автор исследования и бывший аспирант, который сейчас является докторантом в Райсе.
Это открытие открывает двери для создания L. lactis или других пищевых бактерий, способных производить больше витамина K₂ в процессах ферментации или даже в пробиотических препаратах.
«Увеличение производства может снизить потребность в сырье и лабораторных площадях, что в конечном итоге снизит затраты и приблизит обогащённые продукты и добавки к реальности», — говорит Цзянго Чжан, соавтор исследования и аспирант Райса.
Исследование было поддержано CPRIT и Национальным научным фондом, а также Институтом синтетической биологии Райса.
Источник: Университет Райса.