מחקר חדש מגלה כיצד Lactococcus lactis (L. lactis), חיידק מזון נפוץ, מווסת את ייצורו של מבשר מפתח בוויטמין K₂ (Menaquinone) ביוסינתזה. החיידקים מייצרים מספיק מבשר זה כדי לתמוך בצמיחתם תוך מניעת הצטברות רעילה.
מיקרובים הנדסיים לייצור יתר של ויטמינים מספקים אלטרנטיבה ירוקה וחסכונית יותר לסינתזה כימית או מיצוי מצמחים ובעלי חיים. עם זאת, תאי חיידקים בדרך כלל מגבילים את הייצור שלהם לרמות המוחזקות את עצמן. על ידי ניתוק מערכת הבקרה של מבשר הוויטמין k₂, החוקרים זיהו כיצד זמינות המצע ואדריכלות גנטית מטילים תקרת ייצור וכן כיצד ניתן להרים גבולות אלה.
חיידקים המייצרים ויטמינים עלולים לשנות תזונה ורפואה, אך עלינו לפענח תחילה את הבדיקות והאיזונים הגלומים שלהם. עבודתנו מראה כיצד ל. לקטיס מכוונת היטב את האספקה הפנימית שלה של מבשר K₂, ומאפשרת לנו לחיוך אותו מחדש בדיוק. "
קרוליין אג'ו-פרנקלין, מחברת המחקר המתאימה לתאם, פרופסור ראלף ולוני למדעי הביולוגיה, מנהלת המכון לביולוגיה סינתטית של אורז ומכון למניעת סרטן ומחקר של טקסס (CPRIT)
המחקר, שפורסם ב MBIO Journal 11 באוגוסט, מתמקד בתרכובת הביניים הלא יציבה שמנתבת את כל צורות הוויטמין k₂.
תכנון ומתודולוגיה של לימוד
החוקרים השתמשו בגישה תלת-ממדית: חיזוק ביולוגי, הנדסה גנטית ומודלים מתמטיים. מכיוון שקשה לאתר את המבשר, הצוות בנה סנסור ביו -סנסור בהתאמה אישית בחיידק שונה. חיישן זה רגיש פי אלפי פעמים משיטות קונבנציונאליות ודורש ציוד מעבדה מינימלי.
בשלב הבא, החוקרים השתמשו בכלים גנטיים כדי לשנות את רמות האנזימים במסלול הביוסינתטי. על ידי מדידת תפוקת מבשר בתנאים שונים, הם האכילו את התוצאות למודל מתמטי של המסלול. בתחילה, המודל הניח אספקת מבשר בלתי מוגבלת, אך התחזיות לא התיישרו עם תוצאות המעבדה.
אולג איגושין אמר כי "ברגע שאפשרנו להתדלדל של המצע ההתחלה, פלט המודל התאים לנתוני הניסוי שלנו", אמר אולג איגושין, המחבר המתאם יחד ופרופסור לביו-הנדסה ומדעי ביו. "התברר שהתאים פגעו בתקרת ייצור טבעית כאשר המצע נמוך."
ממצאים והשלכות
נתונים ומודלים הצביעו על כך ש- L. לקטיס שומרת על רמות מבשר במאזן אופטימלי, גבוה מספיק לצרכים שלה אך נמוכים מספיק כדי למנוע רעילות. פשוט המבטאים יתר על המידה אנזימים של מסלול לא הגדילו את התפוקה מעבר לסף מכיוון שחומרי מבשר הפכו מוגבלים, ממש כמו לנסות לאפות יותר עוגיות עם גיליונות אפייה נוספים אך ללא מספיק קמח.
סדר הגנים המקודדים לאנזים ב- DNA השפיע גם הוא על רמות המבשר: סידור מחדש של גנים אלה שינה את כמה ביניים התא ייצר. זה מצביע על שכבה נוספת של ויסות אבולוציוני שלא הובנה היטב.
"על ידי כוונון אספקת מצע, ביטוי אנזים וסדר גנים בו זמנית, אנו יכולים לדחוף את הייצור מעל התקרה הטבעית", אמר סיליאנג לי, המחבר הראשון של המחקר וסטודנט לשעבר לתארים מתקדמים שהוא כיום עמית פוסט -דוקטורט ברייס.
תובנה זו פותחת את הדלת להנדסה L. lactis או חיידקים אחרים בדרגת מזון כדי לייצר יותר ויטמין K₂ בתהליכי תסיסה או אפילו בפורמולות פרוביוטיקה.
"ייצור משופר יכול להפחית את הצורך במזין ובמרחב מעבדה, בסופו של דבר להוריד את העלויות ולהקרב מזון ותוספי מזון מועשרים למציאות", אמר ג'יאנגו ג'אנג, סופר ראשון משותף וסטודנט לתואר שני באורז.
מחקר זה נתמך על ידי CPRIT והקרן הלאומית למדע והקל על ידי המכון לביולוגיה סינתטית של אורז.
