باکتری‌هایی که به کمک استخوان‌های ما می‌آیند

به گزارش خبرگزاری مهر به نقل از اینترستینگ انجینرینگ، تحقیقی جدید نشان می‌دهد چگونه یک باکتری غذایی که به طور گسترده استفاده می‌شود، می‌تواند ترکیب شیمیایی داخلی خود را برای زنده ماندن مدیریت کند. این کشف زمینه را برای تولید ویتامین‌های محیط زیست‌پسندتر و ارزان‌تر در صنایع غذایی و سلامت فراهم می‌کند.

ویتامین K۲ که با نام مناکینون نیز شناخته می‌شود، نقشی کلیدی در سلامت استخوان، لخته شدن خون و عملکرد قلب ایفا می‌کند. این ویتامین به طور طبیعی توسط باکتری‌های خاصی از جمله لاکتوکوکوس لاکتیس، یکی از اجزای اصلی تخمیر لبنیات، تولید می‌شود. این میکروب ترکیب واسطه‌ای ناپایدار تولید می‌کند که برای تمام انواع ویتامین K۲ حیاتی است، اما مقدار تولید این ترکیب به اندازه‌ای است که فقط برای پشتیبانی از رشد خود کافی بوده و در نتیجه از تجمع سمی ماده جلوگیری می‌کند.

این سیستم طبیعی خود محدودکننده، چالشی برای افرادی محسوب می‌شود که تلاش دارند باکتری‌ها را مهندسی کنند تا ویتامین‌های بیشتری تولید کنند؛ زیرا میکروب‌ها تمایل دارند تولید خود را در سطح خودکفایی حفظ کنند و همین امر کاربردهای تجاری را کند می‌کند. مهندسی باکتری‌ها برای تولید ویتامین‌های بیشتر، احتمالاً جایگزینی برای سنتز شیمیایی که انرژی زیادی مصرف می‌کند یا استخراج گیاهی خواهد بود، اما محققان ابتدا باید «ترمزهای» تولید موجود در زیست‌شناسی آن‌ها را درک کنند.

کارولین آجو فرانکلین، یکی از مولفان این تحقیق و مدیر انستیتو زیست‌شناسی مصنوعی رایس، در این باره می‌گوید: میکروب‌های تولیدکننده ویتامین می‌توانند تغذیه و دارو را متحول کنند، اما نخست باید سازوکارهای ذاتی کنترل و تعادل آن‌ها را رمزگشایی کنیم. به گفته او، این تحقیق نشان داد چگونه باکتری L. lactis میزان عرضه خود را به‌طور دقیق تنظیم می‌کند و این موضوع فرصتی برای بازطراحی ژنتیکی هدفمند فراهم می‌آورد.

محققان با ترکیب حسگری زیستی، مهندسی ژنتیک و مدل‌سازی ریاضی این فرایند را مطالعه کردند. از آنجا که پیش‌ماده ویتامین K۲ به سختی قابل اندازه‌گیری است، آن‌ها یک حسگر زیستی بسیار حساس در یک باکتری متفاوت ساختند. این دستگاه هزاران بار حساس‌تر از ابزارهای معمول است و به تجهیزات آزمایشگاهی کمی نیاز دارد. در مرحله بعد، آن‌ها سطح آنزیم‌های مسیر سنتز زیستی ویتامین را تغییر دادند و بازده را در شرایط مختلف اندازه‌گیری کردند. این نتایج به یک مدل ریاضی ارائه شد. ابتدا مدل فرض می‌کرد که منبع آغازین به طور نامحدود در دسترس است، اما پیش‌بینی‌ها با نتایج آزمایشگاهی همخوانی نداشت.

اولگ ایگوشین، یکی دیگر از مولفان پژوهش، در این باره می‌گوید: وقتی امکان کاهش منبع آغازین را در نظر گرفتیم، خروجی مدل با داده‌های آزمایشی ما مطابقت پیدا کرد. این امر نشان داد تولید زمانی به حداکثر می‌رسد که مقدار ماده آغازین کم شود، مانند زمانی که بخواهیم با داشتن سینی‌های بیشتر اما بدون آرد کافی بیسکوییت‌های بیشتری بپزیم.

تیم پژوهشی لایه کنترلی دیگری را در ترتیب ژن‌های کدکننده آنزیم‌ها روی DNA شناسایی کرد. تغییر آرایش این ژن‌ها باعث شد مقدار ترکیب میانی تولیدشده توسط سلول‌ها تغییر کند. این موضوع حاکی از وجود سازوکار تکاملی است که تولید را به شیوه‌هایی کنترل می‌کند که پیش‌تر به‌طور کامل شناخته نشده بودند.

به گفته محققان، به این ترتیب با تنظیم همزمان میزان منبع آغازین، بیان آنزیم‌ها و ترتیب ژن‌ها، می‌توان تولید را فراتر از سقف طبیعی آن افزایش داد.