一項新的研究揭示了一種廣泛使用的食物細菌如何管理其內部化學，以便在各種環境中生存和繁榮。這一發現可能為食品和健康產業帶來更環保和更便宜的維生素生產方式。維生素 K₂，或稱為甲萘醌，在骨骼健康、血液凝固和心血管功能中扮演著關鍵角色。這種維生素是由某些細菌自然產生的，尤其是乳酸菌 Lactococcus lactis，這是乳製品發酵的主要成分。
這種微生物生成一種不穩定的中間化合物，這對所有形式的維生素 K₂ 都至關重要。然而，它僅生成足夠支持自我生長的量，從而防止了有毒物質的積累。這一自然的自我限制系統對於想要工程化細菌以生產更多維生素的科學家來說是一個挑戰。微生物通常會將生產能力限制在自我維持的水平，這會減緩商業應用的進展。
若能將它們工程化以生產額外的維生素，或許可以取代能量密集型的化學合成或植物提取，但科學家必須首先理解其生物學中的生產「剎車」。如同研究的共同作者之一、麥斯威爾合成生物學研究所的主任 Caroline Ajo-Franklin 所言，「生產維生素的微生物可能會改變營養和醫學，但我們必須首先解碼它們固有的檢查和平衡系統。」這項研究顯示了 L. lactis 如何調整其供應，創造出精確基因重組的機會。
研究團隊結合了生物傳感技術、基因工程和數學建模來研究這一過程。由於維生素 K₂ 前體難以測量，他們在另一種細菌中建造了一種高靈敏度的生物傳感器。該裝置比傳統工具靈敏度高出數千倍，並且所需的實驗室設備極少。研究人員然後改變了維生素合成路徑中酶的水平，並在不同條件下測量了產出。這些結果納入了一個數學模型，最初模型假設有無限的起始材料，但預測與實驗室結果不匹配。
當研究人員考慮到起始底物的耗竭時，模型的輸出與實驗數據相符合。這表明，當底物減少時，生產達到了一個上限，正如在面粉不足的情況下嘗試用多餘的烤盤烘烤更多的餅乾一樣。團隊發現了另一層控制機制，即 DNA 上酶編碼基因的順序。重新排列這些基因會改變細胞生成中間化合物的量，這暗示著一種進化機制以未曾完全了解的方式控制生產。
透過同時調整底物供應、酶表達和基因順序，有望將生產推高於自然上限。這項研究的第一作者 Siliang Li 現在是一名麥斯威爾的博士後研究員。提高 L. lactis 的產出能夠促進更高效的發酵過程，甚至可以開發出提供更高維生素 K₂ 劑量的益生菌補充劑。共同第一作者 Jiangguo Zhang 提到，提升效率可能會減少原料需求和實驗室空間，從而降低強化食品和補充劑的成本。這項研究發表在《mBio》期刊上，得到了德克薩斯州癌症預防和研究機構及國家科學基金會的支持。
