วิตามิน K₂ ในรูปแบบใหม่: จุลินทรีย์ “ชีส” สอนนักวิทยาศาสตร์ให้ผลิตวิตามินราคาถูกและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้นได้อย่างไร

ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยไรซ์ค้นพบสาเหตุที่ แบคทีเรีย แลคโตค็อกคัส แลคติส (แบคทีเรียชนิดเดียวกับ “ตัวทำงาน” ที่ปลอดภัยอย่างชีสและคีเฟอร์) ไม่ยอมผลิตสารตั้งต้นของวิตามินเค₂ มากเกินไป และจะ “กำจัดสารจำกัด” เหล่านี้ออกไปอย่างระมัดระวังได้อย่างไร ปรากฏว่าเซลล์มีความสมดุลระหว่างประโยชน์ (ควิโนนเป็นพลังงานที่จำเป็น) และความเป็นพิษ (ควิโนนที่มากเกินไปจะก่อให้เกิดภาวะเครียดออกซิเดชัน) นักวิทยาศาสตร์ได้ประกอบไบโอเซนเซอร์ที่มีความไวสูง “สอดสาย” เข้าไปในวิถีการสังเคราะห์ และเชื่อมต่อแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เข้าด้วยกัน สรุป: “ม่าน” สองอันรบกวนกันในคราวเดียว นั่นคือ การควบคุมวิถีการสังเคราะห์ที่มีอยู่แล้วและการไม่มีสารตั้งต้นเริ่มต้น ยิ่งไปกว่านั้น แม้แต่ลำดับของยีนบนดีเอ็นเอก็มีความสำคัญ หากคุณปรับลูกบิดสามอันเข้าด้วยกัน (สารตั้งต้น → เอนไซม์ → ลำดับของยีน) เพดานของผลผลิตก็จะสูงขึ้น งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร mBioเมื่อวันที่ 11 สิงหาคม 2025

ความเป็นมาของการศึกษา

• ทำไมทุกคนถึงต้องการวิตามิน K₂? เมนาควิโนน (วิตามิน K₂) มีความสำคัญต่อการแข็งตัวของเลือด สุขภาพกระดูก และอาจรวมถึงหลอดเลือดด้วย ความต้องการอาหารเสริมกำลังเพิ่มขึ้น และการสังเคราะห์ทางเคมีแบบคลาสสิกมีราคาแพงและไม่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากที่สุด วิธีแก้ปัญหาที่สมเหตุสมผลคือการผลิต K₂ โดยการหมักในแบคทีเรียอาหารที่ปลอดภัย
• ทำไมต้องเลือก Lactococcus lactis? Lactococcus lactisคือจุลินทรีย์สำคัญในอุตสาหกรรมนม ได้รับการรับรองมาตรฐาน GRAS เพาะเลี้ยงง่าย ปลอดภัย และนำมาใช้ในอาหารแล้ว จึงเป็นฐานที่สมบูรณ์แบบสำหรับการเปลี่ยนจุลินทรีย์ให้เป็นโรงงานผลิตวิตามินชีวภาพ
• ทางตันที่แท้จริงอยู่ที่ไหน? เส้นทางการสังเคราะห์ K₂ ดำเนินผ่านสารตัวกลางควิโนนที่มีปฏิกิริยา ในแง่หนึ่ง เซลล์ต้องการสารเหล่านี้ (พลังงาน การถ่ายโอนอิเล็กตรอน) แต่ในอีกแง่หนึ่ง หากมีมากเกินไป สารเหล่านี้จะกลายเป็นพิษ (ภาวะเครียดออกซิเดชัน) ดังนั้น แม้ว่าคุณจะ "ปรับแต่ง" เอนไซม์ เซลล์เองก็เป็นผู้กำหนดขีดจำกัดของอัตราการไหล
• สิ่งที่ขาดหายไปก่อนหน้านี้
  • การวัดเมตาบอไลต์กลางที่ไม่เสถียรอย่างแม่นยำนั้นยากที่จะ "จับ" ได้ด้วยวิธีมาตรฐาน
  • การทำความเข้าใจว่าเอาต์พุตที่ต่ำนั้นเกิดจากการควบคุมวิถีทาง การขาดสารตั้งต้นเริ่มต้น หรือ... โครงสร้างของโอเปรอน (ลำดับของยีนบน DNA) ที่มักถูกมองข้าม
• เหตุใดจึงต้องทำงานนี้ผู้เขียนต้องการ:
  1. สร้างไบโอเซนเซอร์ที่มีความละเอียดอ่อนเพื่อวัดสารตัวกลางที่ “ลื่นไหล” ในที่สุด
  2. ประกอบแบบจำลองของน้ำตกทั้งหมด และค้นหาว่า “ปัญหาคอขวด” ที่แท้จริงอยู่ที่ไหน
  3. เพื่อทดสอบว่าปุ่มสามปุ่มพร้อมกันส่งผลต่อการปล่อยสารอย่างไร - การจัดหาสารตั้งต้น ระดับเอนไซม์ที่สำคัญ และลำดับของยีน - และว่าเป็นไปได้หรือไม่ที่จะทะลุเพดานธรรมชาติโดยการหมุนปุ่มเหล่านี้พร้อมกัน
• ความเข้าใจในทางปฏิบัติหากคุณเข้าใจจุดใดที่จุลินทรีย์ "ชะลอตัวเอง" ลง คุณก็สามารถออกแบบสายพันธุ์ที่ผลิตวิตามินได้มากขึ้นด้วยทรัพยากรเท่าเดิม และทำให้การผลิตมีต้นทุนถูกลงและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น วิธีนี้ยังมีประโยชน์สำหรับกระบวนการอื่นๆ ที่ควิโนน "ที่มีประโยชน์" กำลังใกล้จะเป็นพิษ ตั้งแต่วิตามินไปจนถึงสารตั้งต้นของยา

พวกเขาทำอะไรกันแน่?

• พบผลิตภัณฑ์ขั้นกลางที่มองไม่เห็น สารตั้งต้นที่ใช้ประกอบวิตามิน K₂ (เมนาควิโนน) ทุกรูปแบบนั้นไม่เสถียรมาก เพื่อที่จะ "มองเห็น" จึงต้องสร้างไบโอเซนเซอร์แบบเฉพาะในแบคทีเรียอีกชนิดหนึ่ง ซึ่งความไวเพิ่มขึ้นหลายพันเท่า และอุปกรณ์ห้องปฏิบัติการแบบง่ายๆ ก็เพียงพอสำหรับการวัด
• พวกเขานำพันธุกรรมมาหมุนวนและเปรียบเทียบกับแบบจำลอง นักวิจัยได้เปลี่ยนระดับเอนไซม์สำคัญของวิถีนี้ และเปรียบเทียบการปล่อยสารตั้งต้นจริงกับการคาดการณ์ของแบบจำลอง แม้ว่าแบบจำลองจะพิจารณาว่าสารตั้งต้นนั้น "ไม่มีที่สิ้นสุด" แต่ทุกอย่างก็แยกออกจากกัน การพิจารณาถึงการหมดลงของจุดเริ่มต้นจึงเป็นสิ่งที่ควรค่าแก่การพิจารณา และการคาดการณ์ก็ "เข้าที่": เรากำลังเจอไม่เพียงแต่เอนไซม์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงวัตถุดิบสำหรับวิถีนี้ด้วย
• พบบทบาทของ "สถาปัตยกรรม" ของดีเอ็นเอ แม้แต่ลำดับของยีนในลำดับเอนไซม์ก็มีผลต่อระดับของผลิตภัณฑ์ตัวกลางที่ไม่เสถียร การจัดเรียงใหม่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่เห็นได้ชัด ซึ่งหมายความว่าวิวัฒนาการยังใช้รูปทรงเรขาคณิตของจีโนมเป็นตัวควบคุมด้วย

ผลการค้นพบที่สำคัญในแง่ที่เรียบง่าย

• L. lactisยังคงมีสารตั้งต้นเพียงพอต่อการดำรงชีวิตและเจริญเติบโตโดยไม่เกิดพิษ การ "เติมเอนไซม์" เพียงอย่างเดียวไม่ได้ช่วยอะไรเลยหากไม่มีสารตั้งต้นเพียงพอ เหมือนกับการใส่ถาดอบคุกกี้เพิ่มโดยไม่ใส่แป้ง
• "เพดาน" การผลิตถูกกำหนดโดยสองสิ่งด้วยกัน: การควบคุมภายในของวิถีทางและความพร้อมของแหล่งที่มา ยิ่งไปกว่านั้น ลำดับของยีนในโอเปรอนยังกำหนดอีกด้วย การปรับสามระดับพร้อมกันช่วยให้คุณก้าวข้ามขีดจำกัดตามธรรมชาติ

เหตุใดจึงจำเป็นเช่นนี้?

• วิตามิน K₂ มีความสำคัญต่อการแข็งตัวของเลือด กระดูก และอาจรวมถึงสุขภาพของหลอดเลือด ปัจจุบันวิตามิน K₂ ได้รับจากการสังเคราะห์ทางเคมีหรือการสกัดจากวัตถุดิบ ซึ่งมีราคาแพงและไม่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากนัก การพัฒนาแบคทีเรียในอาหารที่ปลอดภัยช่วยให้สามารถสร้าง K₂ ได้ด้วยการหมัก ซึ่งมีราคาถูกกว่าและ "เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม" มากขึ้น
• การทำความเข้าใจว่า "เบรก" ในเส้นทางการสังเคราะห์อยู่ที่ใดถือเป็นแผนที่สำหรับผู้ผลิต เนื่องจากเป็นไปได้ที่จะสร้างสายพันธุ์ที่ผลิตวิตามินได้มากขึ้นในปริมาณอาหารและพื้นที่เท่ากัน และในอนาคต แม้แต่โปรไบโอติกที่สังเคราะห์ K₂ โดยตรงในผลิตภัณฑ์หรือในลำไส้ (แน่นอนว่าต้องอยู่ภายใต้การควบคุมอย่างเคร่งครัด)

คำคม

• “จุลินทรีย์ที่ผลิตวิตามินมีศักยภาพในการเปลี่ยนแปลงโภชนาการและยา แต่ก่อนอื่น เราต้องถอดรหัส 'ก๊อกปิดฉุกเฉิน' ภายในของจุลินทรีย์เหล่านี้เสียก่อน” แคโรไลน์ อาโฮ-แฟรงคลิน (มหาวิทยาลัยไรซ์) ผู้เขียนร่วมกล่าว
• “เมื่อเราคำนึงถึงการลดลงของสารตั้งต้นแล้ว ในที่สุดแบบจำลองก็ตรงกับการทดลอง: เซลล์จะไปถึงเพดานตามธรรมชาติเมื่อแหล่งหมดลง” Oleg Igoshin กล่าวเสริม

สิ่งนี้มีความหมายต่ออุตสาหกรรมอย่างไร - ในแต่ละประเด็น

• เครื่องมือ: ขณะนี้มีไบโอเซนเซอร์สำหรับการควบคุมอย่างละเอียดและแบบจำลองที่คำนวณ "จุดคอขวด" ได้อย่างถูกต้อง ซึ่งจะช่วยเร่งกระบวนการ "ออกแบบ → ตรวจสอบ" ให้เร็วขึ้น
• กลยุทธ์การขยายขนาด: อย่าไล่ตาม "เอนไซม์สุดยอด" ตัวใดตัวหนึ่ง ปรับแต่งสามปุ่ม: ป้อนสารตั้งต้น → ระดับเอนไซม์ → ลำดับยีน วิธีนี้จะช่วยให้คุณมีโอกาสสูงที่จะทะลุขีดจำกัดตามธรรมชาติ
• ความทนทาน: หลักความสมดุลของประโยชน์/ความเป็นพิษของควิโนนสามารถนำไปใช้กับจุลินทรีย์และเส้นทางอื่นๆ ได้เช่นกัน ตั้งแต่วิตามินไปจนถึงยาปฏิชีวนะ โดยมีตัวกลางที่มีปฏิกิริยามากเกินไปและการเจริญเติบโตก็ลดลง

ความระมัดระวังอยู่ที่ไหน?

นี่คืองานพื้นฐานเกี่ยวกับแบคทีเรียในอาหารที่ปลอดภัยและในห้องปฏิบัติการ การประชุมเชิงปฏิบัติการยังคงมีคำถามอยู่ เช่น ความเสถียรของสายพันธุ์ กฎระเบียบสำหรับผลิตภัณฑ์ "เชิงฟังก์ชัน" และเศรษฐศาสตร์การขยายขนาด แต่แผนงาน - ว่าควรหันไปทางไหนและวัดอะไร - มีอยู่แล้ว

สรุป

การผลิตวิตามินจากจุลินทรีย์ให้ได้มากขึ้นนั้น ไม่ใช่แค่ “ให้ก๊าซ” แก่เอนไซม์เท่านั้น แต่ยังต้องให้เชื้อเพลิงและประกอบวงจรไฟฟ้าให้ถูกต้องด้วยการศึกษาของ mBio แสดงให้เห็นถึงวิธีการปรับแต่งสารตั้งต้น ยีน และการควบคุมต่างๆ ร่วมกัน เพื่อเปลี่ยนLactococcus lactisให้กลายเป็นโรงงานผลิต K₂ สีเขียว และทำให้วิตามินมีราคาถูกลงและสะอาดขึ้น

ที่มา: Li S. et al. ประโยชน์ต่อการเจริญเติบโตและความเป็นพิษของการสังเคราะห์ควิโนนมีความสมดุลโดยกลไกการควบคุมแบบคู่และข้อจำกัดของสารตั้งต้นmBio, 11 สิงหาคม2025 doi.org/10.1128/mbio.00887-25