ויטמין K₂ בדרך חדשה: כיצד חיידק "גבינה" לימד מדענים להפוך ויטמינים לזולים וידידותיים יותר לסביבה

צוות מאוניברסיטת רייס גילה מדוע חיידקי Lactococcus lactis (אותו "סוס עבודה" בטוח של גבינות וקפיר) מסרבים בעקשנות לייצר יותר מדי מהחומר המבשר של ויטמין K₂ - וכיצד "להסיר את המגבילים" בזהירות. התברר שתאים מאזנים בין תועלת (כינונים נחוצים לאנרגיה) לרעילות (עודפם גורם לעקה חמצונית). מדענים הרכיבו ביו-סנסור רגיש במיוחד, "זרקו חוטים" למסלולי הסינתזה וחיברו מודל מתמטי. מסקנה: שני "וילונות" מתערבים בו זמנית - הרגולציה המובנית של המסלול והיעדר המצע הראשוני; בנוסף, אפילו סדר הגנים ב-DNA חשוב. אם מכוונים שלושה כפתורים יחד (מצע → אנזימים → סדר גנים), ניתן להעלות את תקרת התפוקה. העבודה פורסמה ב- MBio ב-11 באוגוסט 2025.

רקע המחקר

• למה כולם צריכים ויטמין K₂? מנאקינונים (ויטמין K₂) חשובים לקרישת דם, בריאות העצם, וכנראה גם לכלי הדם. הביקוש לתוספי מזון הולך וגובר, וסינתזה כימית קלאסית יקרה ואינה הירוקה ביותר. הפתרון ההגיוני הוא לייצר K₂ באמצעות תסיסה על חיידקי מזון בטוחים.
• למה לקטוקוקוס לקטיס? זהו סוס העבודה של תעשיית החלב, בעל מעמד GRAS. הוא קל לגידול, בטוח, וכבר נמצא בשימוש במזון - הבסיס המושלם להפיכת החיידק לביו-מפעל ויטמינים.
• היכן נמצאת המבוי הסתום האמיתי? מסלול הביוסינתזה של K₂ עובר דרך חומרי ביניים ריאקטיביים של כינון. מצד אחד, הם נחוצים לתא (אנרגיה, העברת אלקטרונים), אך מצד שני, בעודף מהם הופכים לרעילים (עקה חמצונית). לכן, גם אם "משנים" את האנזימים, התא עצמו קובע מגבלות על קצב הזרימה.
• מה שהיה חסר קודם.
  • מדידות מדויקות של מטבוליטים ביניים לא יציבים - קשה "לתפוס" אותם בשיטות סטנדרטיות.
  • הבנת האם תפוקה נמוכה נובעת מווסת מסלול הגידול, חוסר בסובסטרט ראשוני, או... הארכיטקטורה של האופרון (סדר הגנים על ה-DNA) שלעתים קרובות מתעלמים ממנה.
• למה העבודה הזו. המחברים היו צריכים:
  1. ליצור ביו-סנסור רגיש כדי למדוד סופית את חומרי הביניים ה"חלקלקים";
  2. להרכיב מודל של כל המפל ולגלות היכן נמצאים "צווארי הבקבוק" האמיתיים;
  3. כדי לבדוק כיצד שלושה כפתורים משפיעים בו זמנית על השחרור - אספקת סובסטרט, רמות של אנזימים מרכזיים וסדר הגנים - והאם ניתן לפרוץ את התקרה הטבעית על ידי סיבובם יחד.
• חוש מעשי. אם מבינים היכן בדיוק החיידק "מאט את עצמו", ניתן לתכנן זנים המייצרים יותר ויטמינים באותם משאבים, ולהפוך את הייצור לזול יותר וידידותי יותר לסביבה. זה שימושי גם עבור מסלולים אחרים שבהם כינונים "שימושיים" נמצאים על סף רעילות - החל מוויטמינים ועד חומרים מקדימים לתרופות.

מה בדיוק הם עשו?

• נתפס תוצר ביניים בלתי נראה. החומר שממנו מורכבות כל צורות הוויטמין K₂ (מנאקינון) אינו יציב. כדי "לראות" אותו, נוצר ביוסנסור מותאם אישית בחיידק אחר - הרגישות גדלה פי אלפי, וציוד מעבדה פשוט הספיק למדידות.
• הם סובבו את הגנטיקה והשוו אותה למודל. החוקרים שינו את רמות האנזימים המרכזיים של המסלול והשוו את השחרור בפועל של החומר המבשר עם תחזיות המודל. בעוד שהמודל סבר שהמצע הוא "אינסופי", הכל התפצל. היה כדאי לשקול את דלדול ההתחלה, והתחזיות "נפלו" על מקומן: אנחנו נתקלים לא רק באנזימים, אלא גם בחומרי גלם עבור המסלול.
• התגלה תפקידה של "ארכיטקטורת" ה-DNA. אפילו סדר הגנים של מפל האנזימים משפיע על רמת התוצר הביניים הלא יציב. הסידור מחדש נתן שינויים ניכרים - משמעות הדבר היא שהאבולוציה משתמשת גם בגיאומטריה של הגנום כווסת.

ממצאים מרכזיים במילים פשוטות

• L. lactis שומר על מספיק תוצרי קדם כדי לשרוד ולגדול מבלי להיכנס למצב של רעילות. "הוספת אנזימים" פשוטה לא עוזרת אם אין מספיק מצע: זה כמו להכניס עוד תבניות אפייה בלי להוסיף קמח.
• "תקרת" הייצור נקבעת על ידי שני דברים יחד: הרגולציה הפנימית של המסלול וזמינות המקור. בנוסף לכל זה, נמצא סדר הגנים באופרון. כוונון של שלוש רמות בו זמנית מאפשר לך לחרוג מהגבול הטבעי.

למה זה הכרחי?

• ויטמין K₂ חשוב לקרישת דם, לעצמות וכנראה לבריאות כלי הדם. כיום, הוא מתקבל באמצעות סינתזה כימית או מיצוי מחומרי גלם - זה יקר ולא ידידותי במיוחד לסביבה. הנדסת חיידקי מזון בטוחים נותנת הזדמנות לייצר K₂ באמצעות תסיסה - זול ו"ירוק יותר".
• הבנת ה"בלמים" במסלול הסינתזה היא מפה עבור יצרנים: ניתן ליצור זנים המייצרים יותר ויטמין באותה כמות של מזון ושטח, ובעתיד, אפילו פרוביוטיקה המסנתזת K₂ ישירות במוצר או במעיים (כמובן תחת רגולציה מוחלטת).

ציטוטים

• "לחיידקים המייצרים ויטמינים יש פוטנציאל לשנות את התזונה והרפואה, אך ראשית עלינו לפענח את 'ברזי החירום' הפנימיים שלהם", אומרת קרוליין אהו-פרנקלין (אוניברסיטת רייס), מחברת שותפה למחקר.
• "כאשר לקחנו בחשבון דלדול סובסטרט, המודל סוף סוף תאם את הניסוי: התאים פגעו בתקרה טבעית כאשר המקור אוזל", מוסיף אולג איגושין.

מה המשמעות של זה עבור התעשייה - נקודה אחר נקודה

• כלים: כעת ישנו ביוסנסור לבקרה עדינה ומודל שמחשב נכון "צווארי בקבוק". זה מאיץ את מחזור ה"תכנון → בדיקה".
• אסטרטגיית קנה מידה: אל תרדפו אחרי "אנזים-על" אחד. כוונו שלושה כפתורים: הזנת סובסטרט → רמות אנזים → סדר גנים. בדרך זו, יש לכם סיכוי גבוה יותר לפרוץ את הגבול הטבעי.
• סבילות: עקרונות איזון התועלת/רעילות של כינונים חלים גם על מיקרובים ומסלולים אחרים, החל מוויטמינים ועד לאנטיביוטיקה: יותר מדי חומרי ביניים ריאקטיביים וירידה בגדילה.

איפה הזהירות?

זוהי עבודה בסיסית על חיידקי מזון בטוחים ובתנאי מעבדה. עדיין ישנן שאלות לפני הסדנה: יציבות זנים, רגולציה עבור מוצרים "פונקציונליים", כלכלת קנה מידה. אבל מפת הדרכים - לאן לפנות ומה למדוד - כבר קיימת.

תַקצִיר

כדי לייצר יותר ויטמינים מחיידק, לא מספיק רק "לתת גז" לאנזים - חשוב גם לספק דלק ולהרכיב את החיווט הנכון. מחקר ה-Mbio מראה כיצד לכוונן יחד את המצע, הגנים והרגולציה כדי להפוך את Lactococus lactis למפעל K₂ ירוק - ולהפוך ויטמינים לזולים ונקיים יותר.

מקור: Li S. et al. יתרונות הגדילה והרעילות של ביוסינתזה של כינון מאוזנים על ידי מנגנון בקרה כפול ומגבלות סובסטרט, mBio, 11 באוגוסט 2025. doi.org/10.1128/mbio.00887-25.