一项新研究揭示了乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）如何调控维生素K₂（甲基萘醌）关键前体的生物合成。这种常见食品细菌能够产生足够的前体以满足自身生长需求，同时避免毒性积累。通过基因工程改造微生物过量生产维生素，可替代传统化学合成或动植物提取，实现更环保且具成本效益的生产方式。然而，细菌细胞通常将产量限制在自给自足水平。研究人员通过解析维生素K₂前体的调控系统，发现底物可用性和基因架构共同设定了产量上限，并揭示了突破这些限制的方法。
"维生素生产微生物可能彻底改变营养学和医学，但首先要解码其内在的平衡机制，"共同通讯作者Caroline Ajo'-Franklin教授指出。作为莱斯大学生物科学Ralph and Looney讲席教授、合成生物学研究所主任及CPRIT学者，她强调："我们的工作表明乳酸乳球菌如何精准调节K₂前体内部供应，使我们能以更高精度重新设计该系统。"
这项发表于《mBio》期刊的研究聚焦于所有维生素K₂形式共有的不稳定中间化合物。研究团队采用三重方法：生物传感、基因工程和数学建模。由于前体难以检测，研究小组在另一种细菌中构建了定制生物传感器，其灵敏度比传统方法高数千倍且无需复杂实验设备。
通过基因工具改变生物合成途径酶水平并测量不同条件下的前体产量后，研究人员将数据输入数学模型。最初假设前体供应无限的模型未能匹配实验数据，但允许底物消耗后，模型输出与实验数据完全吻合。共同通讯作者、生物工程与生物科学教授Oleg Igoshin指出："这表明当底物耗尽时，细胞达到自然产量上限。"
研究数据显示，乳酸乳球菌维持前体水平在最佳平衡点——足够自身需求但低于毒性阈值。单纯过表达途径酶无法突破阈值，因为前体材料出现短缺，类似于增加烤盘数量却缺少面粉无法增加饼干产量。DNA上酶编码基因的排列顺序也影响前体水平：重排基因会改变细胞产生的中间体含量，这揭示了尚未充分理解的进化调控机制。
"通过同步调节底物供应、酶表达和基因顺序，我们可以突破自然产量上限，"第一作者、现任莱斯大学博士后的Siliang Li表示。这种突破意味着可以工程化乳酸乳球菌或其他食品级细菌，在发酵工艺甚至益生菌配方中实现维生素K₂的高效生产。
研究通讯作者之一、莱斯大学研究生Jiangguo Zhang指出："提高产量可减少原料需求和实验室空间，最终降低生产成本，使强化食品和营养补充剂更接近现实。"该研究得到美国国家科学基金会和癌症预防与研究研究所（CPRIT）资助。
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