فيتامين K₂ بطريقة جديدة: كيف علّم ميكروب "الجبن" العلماء كيفية صنع الفيتامينات بتكلفة أقل وبطريقة صديقة للبيئة

اكتشف فريق من جامعة رايس سبب رفض بكتيريا Lactococcus lactis (وهي نفس "العنصر النشط" الآمن في الجبن والكفير) بإصرار إنتاج كميات كبيرة من المادة الأولية لفيتامين K₂، وكيفية "إزالة العوامل المحددة" بعناية. اتضح أن الخلايا توازن بين الفائدة (الكينونات ضرورية للطاقة) والسمية (زيادة إنتاجها تُحفز الإجهاد التأكسدي). قام العلماء بتجميع مستشعر حيوي فائق الحساسية، و"ربطوا" مسارات التخليق، وربطوا نموذجًا رياضيًا. الخلاصة: يتداخل عاملان في آن واحد - التنظيم الذاتي للمسار وغياب الركيزة الأولية؛ بالإضافة إلى ذلك، حتى ترتيب الجينات على الحمض النووي مهم. إذا عدّلت ثلاثة أزرار معًا (الركيزة ← الإنزيمات ← ترتيب الجينات)، يُمكن رفع سقف الإنتاج. نُشر هذا العمل في مجلة mBio في 11 أغسطس 2025.

خلفية الدراسة

• لماذا يحتاج الجميع إلى فيتامين K₂ ؟ الميناكينونات (فيتامين K₂) مهمة لتخثر الدم، وصحة العظام، وربما الأوعية الدموية. الطلب على المكملات الغذائية يتزايد، والتركيب الكيميائي التقليدي مكلف وليس صديقًا للبيئة. الحل المنطقي هو إنتاج K₂ عن طريق التخمير باستخدام بكتيريا غذائية آمنة.
• لماذا لاكتوكوكس لاكتيس؟ إنها العنصر الأساسي في صناعة الألبان، وحاصلة على تصنيف GRAS. زراعتها سهلة، وآمنة، ومُستخدمة بالفعل في الأغذية - وهي الأساس الأمثل لتحويل هذا الميكروب إلى مصنع حيوي للفيتامينات.
• أين يكمن المأزق الحقيقي ؟ يمر مسار تخليق البوتاسيوم عبر وسيطات الكينون التفاعلية. من جهة، تحتاجها الخلية (طاقة، نقل الإلكترونات)، ولكن من جهة أخرى، تُصبح سامة عند زيادتها (إجهاد تأكسدي). لذلك، حتى مع تعديل الإنزيمات، فإن الخلية نفسها تُحدد معدل التدفق.
• ما الذي كان مفقودا من قبل.
  • قياسات دقيقة للمركبات الأيضية الوسيطة غير المستقرة - من الصعب "القبض عليها" بالطرق القياسية.
  • فهم ما إذا كان انخفاض الإنتاج يرجع إلى تنظيم المسار، أو عدم وجود الركيزة الأولية، أو... البنية التي غالبًا ما يتم تجاهلها للأوبرون (ترتيب الجينات على الحمض النووي).
• لماذا هذا العمل ؟ احتاج المؤلفون إلى:
  1. إنشاء جهاز استشعار حيوي حساس لقياس الوسائط "الزلقة" في النهاية؛
  2. قم بتجميع نموذج للشلال بأكمله واكتشف أين توجد "الاختناقات" الحقيقية؛
  3. لاختبار كيفية تأثير ثلاثة أزرار في وقت واحد على الإطلاق - إمداد الركيزة، ومستويات الإنزيمات الرئيسية، وترتيب الجينات - وما إذا كان من الممكن اختراق السقف الطبيعي عن طريق تحريكها معًا.
• منطقي عمليًا. إذا فهمتَ بالضبط أين يُبطئ الميكروب نفسه، يُمكنك تصميم سلالات تُنتج المزيد من الفيتامينات بنفس الموارد، مما يجعل الإنتاج أقل تكلفةً وأكثر مراعاةً للبيئة. هذا مُفيدٌ أيضًا في مساراتٍ أخرى تكون فيها الكينونات "المفيدة" على وشك السُمّية - من الفيتامينات إلى سلائف الأدوية.

ماذا فعلوا بالضبط؟

• تم التقاط منتج وسيط غير مرئي. المادة الأولية التي تُركّب منها جميع أشكال فيتامين K₂ (ميناكينون) غير مستقرة للغاية. لرصدها، صُنع مستشعر حيوي مُخصص في بكتيريا أخرى - زادت حساسيته آلاف المرات، وكانت معدات المختبر البسيطة كافية لإجراء القياسات.
• قاموا بتدوير الجينات ومقارنتها بالنموذج. غيّر الباحثون مستويات الإنزيمات الرئيسية للمسار، وقارنوا الإطلاق الفعلي للسلائف بتنبؤات النموذج. بينما اعتبر النموذج أن الركيزة "لا نهائية"، تباعدت كل الأمور. كان من الجدير الأخذ بعين الاعتبار استنفاد البداية، و"صدقت" التنبؤات: فنحن لا نواجه الإنزيمات فحسب، بل أيضًا المواد الخام للمسار.
• تم اكتشاف دور "بنية" الحمض النووي. حتى ترتيب جينات سلسلة الإنزيمات يؤثر على مستوى المنتج الوسيط غير المستقر. وقد أحدثت إعادة الترتيب تحولات ملحوظة، مما يعني أن التطور يستخدم أيضًا هندسة الجينوم كمنظم.

النتائج الرئيسية بعبارات بسيطة

• تحتفظ بكتيريا اللاكتوز بما يكفي من المادة الأولية للبقاء والنمو دون التسمم. إضافة الإنزيمات ببساطة لا تُجدي نفعًا إذا لم تكن المادة الأساسية كافية: الأمر أشبه بوضع المزيد من صواني البسكويت دون إضافة دقيق.
• يُحدَّد "سقف" الإنتاج بعاملين: التنظيم الداخلي للمسار وتوفر المصدر. ويُضاف إلى ذلك ترتيب الجينات في الأوبرون. يتيح ضبط ثلاثة مستويات في آنٍ واحد تجاوز الحد الطبيعي.

لماذا هذا ضروري؟

• فيتامين K₂ مهم لتخثر الدم والعظام، وربما لصحة الأوعية الدموية. حاليًا، يُستخرج عن طريق التركيب الكيميائي أو الاستخلاص من المواد الخام، وهو أمر مكلف وغير صديق للبيئة. تتيح هندسة بكتيريا غذائية آمنة فرصة إنتاج K₂ عن طريق التخمير، وهو أمر أرخص وأكثر مراعاةً للبيئة.
• إن فهم أماكن "الفرامل" في مسار التوليف هو بمثابة خريطة للمنتجين: فمن الممكن إنشاء سلالات تنتج المزيد من الفيتامينات على نفس كمية العلف والمساحة، وفي المستقبل، حتى البروبيوتيك الذي يصنع K₂ مباشرة في المنتج أو في الأمعاء (تحت التنظيم الصارم، بالطبع).

يقتبس

• وتقول المؤلفة المشاركة كارولين آهو فرانكلين (جامعة رايس): "إن الميكروبات المنتجة للفيتامينات لديها القدرة على تحويل التغذية والطب، ولكننا نحتاج أولاً إلى فك رموز "صمامات الطوارئ" الداخلية الخاصة بها".
• ويضيف أوليج إيغوشين: "عندما أخذنا في الاعتبار استنزاف الركيزة، تطابق النموذج أخيرًا مع التجربة: حيث وصلت الخلايا إلى سقف طبيعي عندما نفد المصدر".

ماذا يعني هذا بالنسبة للصناعة - نقطة بنقطة

• الأدوات: يتوفر الآن مستشعر بيولوجي للتحكم الدقيق ونموذج يحسب بدقة "الاختناقات". هذا يُسرّع دورة "التصميم ← التحقق".
• استراتيجية التوسع: لا تكتفِ بـ"إنزيم خارق" واحد. عدّل ثلاثة عناصر: تغذية الركيزة ← مستويات الإنزيم ← ترتيب الجينات. بهذه الطريقة، تزداد فرصك في تجاوز الحد الطبيعي.
• التحمل: تنطبق مبادئ توازن الفائدة/السمية للكينونات على الميكروبات والمسارات الأخرى أيضًا، من الفيتامينات إلى المضادات الحيوية: كثرة الوسائط التفاعلية تؤدي إلى انخفاض النمو.

أين الحذر؟

هذا عملٌ أساسيٌّ في مجال سلامة بكتيريا الأغذية في ظروفٍ مختبرية. لا تزال هناك أسئلةٌ مطروحةٌ أمام ورشة العمل: استقرار السلالات، وتنظيم المنتجات "الوظيفية"، واقتصادات التوسع. لكن خارطة الطريق - إلى أين نتجه وما الذي يجب قياسه - موجودةٌ بالفعل.

ملخص

لإنتاج المزيد من الفيتامينات من ميكروب، لا يكفي مجرد "تزويد" الإنزيم بالغاز، بل من المهم أيضًا توفير الوقود اللازم وتركيب الأسلاك المناسبة. تُظهر دراسة mBio كيفية تعديل الركيزة والجينات والتنظيم معًا لتحويل Lactococcus lactis إلى مصنع أخضر لفيتامين K₂، مما يجعل الفيتامينات أرخص وأنظف.

المصدر: لي س. وآخرون. تتم موازنة فوائد النمو وسمية تخليق الكينون من خلال آلية تنظيمية مزدوجة وقيود الركيزة ، mBio ، 11 أغسطس 2025. doi.org/10.1128/mbio.00887-25.