维生素 K₂ 的新用途：一种“奶酪”微生物如何教会科学家制造更便宜、更环保的维生素

莱斯大学的一个研究小组发现了乳酸乳球菌（与奶酪和开菲尔一样安全的“主力”细菌）为何顽固地拒绝产生过多的维生素K₂前体，以及如何谨慎地“消除限制因素”。结果表明，细胞在益处（醌类物质提供能量）和毒性（过量醌类物质会引发氧化应激）之间保持平衡。科学家们组装了一个超灵敏的生物传感器，在合成途径中“植入导线”，并连接了一个数学模型。结论是：两道“屏障”同时干扰——途径的内在调控和初始底物的缺乏；此外，DNA上的基因顺序也很重要。如果同时调节三个旋钮（底物→酶→基因顺序），可以提高产量上限。这项研究于2025年8月11日发表在《mBio》杂志上。

研究背景

• 为什么每个人都需要维生素 K₂？甲萘醌（维生素 K₂）对血液凝固、骨骼健康以及血管健康都至关重要。补充剂的需求日益增长，而传统的化学合成方法成本高昂且并非最环保。合理的解决方案是通过安全的食用菌发酵来生产 K₂。
• 为什么选择乳酸乳球菌？它是乳制品行业的主力，拥有GRAS（一般公认安全认证）资格。它易于培养，安全可靠，并且已在食品中得到应用——是将微生物转化为维生素生物工厂的理想基础。
• 真正的死胡同在哪里？K₂ 生物合成途径需要经过活性醌中间体。一方面，它们是细胞所必需的（能量、电子转移）；另一方面，过量则会产生毒性（氧化应激）。因此，即使你“调整”酶，细胞本身也会限制其流速。
• 之前缺少什么。
  • 不稳定中间代谢物的精确测量——它们很难用标准方法“捕捉”。
  • 了解低输出是否是由于通路调节、缺乏初始底物，或……经常被忽视的操纵子结构（DNA 上基因的顺序）。
• 为什么要进行这项工作？作者需要：
  1. 创建一个灵敏的生物传感器来最终测量“滑溜”的中间体；
  2. 组装整个级联的模型并找出真正的“瓶颈”在哪里；
  3. 测试三个旋钮如何同时影响释放——底物供应、关键酶的水平和基因的顺序——以及是否可以通过协同转动它们来突破自然上限。
• 实践意义。如果你了解微生物究竟在哪里“减缓自身生长”，你就能设计出利用相同资源生产更多维生素的菌株，并使生产成本更低、更环保。这对于其他“有用”醌濒临毒性的途径——从维生素到药物前体——也同样有用。

他们到底做了什么？

• 研究人员捕获了一种不可见的中间产物。这种构成所有维生素 K₂ 形式的前体（甲萘醌）非常不稳定。为了“看到”它，研究人员在另一种细菌中制作了一个定制的生物传感器——灵敏度提高了数千倍，只需简单的实验室设备即可进行测量。
• 他们调整了基因，并将其与模型进行了比较。研究人员改变了该途径关键酶的水平，并将前体的实际释放量与模型的预测值进行了比较。虽然模型认为底物是“无限的”，但一切都发生了变化。值得考虑的是起始底物的消耗，预测也“落入”了正确的轨道：我们不仅遇到了酶，还遇到了该途径的原材料。
• DNA“结构”的作用被发现。即使是酶级联中基因的顺序也会影响不稳定中间产物的水平。重排导致了明显的变化——这意味着进化也利用基因组的几何形状作为调节器。

简单来说主要发现

• 乳酸乳球菌只需保留足够的前体物质，即可维持其存活和生长，且不会产生毒性。如果底物不足，单纯“添加酶”也无济于事：这就像在烤盘上放了更多饼干，却没有添加面粉一样。
• 生产“上限”由两方面共同决定：途径的内部调控和来源的可用性。此外，操纵子中基因的顺序也至关重要。同时调节三个层面可以让你超越自然极限。

为什么这是必要的？

• 维生素K₂对血液凝固、骨骼以及血管健康至关重要。目前，维生素K₂的获取方式是通过化学合成或从原材料中提取——成本高昂且不环保。改造安全的食品菌种，可以通过发酵法生产维生素K₂，从而降低成本，并使其更加“环保”。
• 了解合成途径中的“刹车”位置对于生产者来说就像一张地图：有可能培育出在相同饲料量和面积下生产更多维生素的菌株，并且在未来甚至可以培育出直接在产品中或肠道中合成 K₂ 的益生菌（当然，要严格遵守监管规定）。

引号

• “产生维生素的微生物有可能改变营养和医学，但首先我们需要破译它们内部的‘紧急停止阀’，”合著者卡罗琳·阿霍·富兰克林（莱斯大学）说。
• “当我们考虑到底物消耗时，模型最终与实验相符：当底物耗尽时，细胞就会达到自然上限，”Oleg Igoshin 补充道。

这对行业意味着什么——逐点解读

• 工具：现在有了用于精细控制的生物传感器，以及能够准确计算“瓶颈”的模型。这加快了“设计→检查”的周期。
• 扩展策略：不要追逐一种“超级酶”。调整三个旋钮：底物供给 → 酶水平 → 基因顺序。这样，你突破自然极限的机会就更大。
• 耐受性：醌的益处/毒性平衡原则也适用于其他微生物和途径，从维生素到抗生素：反应中间体过多，生长就会下降。

谨慎在哪里？

这是一项在实验室条件下研究安全食品细菌的基础性工作。研讨会上仍存在一些问题：菌株稳定性、“功能性”产品的监管、规模经济性。但路线图——转向何处以及测量哪些指标——已经存在。

概括

要从微生物中制造更多维生素，仅仅给酶“供气”是不够的——提供燃料并连接正确的线路也很重要。mBio 的研究展示了如何通过调整底物、基因和调控机制，将乳酸乳球菌转变为绿色的 K₂ 工厂，并使维生素的生产更便宜、更清洁。

来源： Li S. 等人。醌生物合成的生长益处和毒性通过双重调节机制和底物限制来平衡，mBio，2025 年 8 月 11 日。doi.org/10.1128 /mbio.00887-25 。