Vitamin K₂ auf neue Weise: Wie ein „Käse“-Mikroorganismus Wissenschaftlern beibrachte, Vitamine billiger und umweltfreundlicher herzustellen

Ein Team der Rice University hat herausgefunden, warum Lactococcus lactis -Bakterien (das sichere „Arbeitspferd“ von Käse und Kefir) sich hartnäckig weigern, zu viel von der Vorstufe von Vitamin K₂ zu produzieren – und wie man diese Hemmnisse vorsichtig aus dem Weg räumt. Es stellte sich heraus, dass Zellen zwischen Nutzen (Chinone werden zur Energiegewinnung benötigt) und Toxizität (ihr Überschuss löst oxidativen Stress aus) abwägen. Wissenschaftler haben einen hochempfindlichen Biosensor entwickelt, Drähte in die Synthesewege gelegt und ein mathematisches Modell damit verbunden. Fazit: Zwei „Vorhänge“ greifen gleichzeitig ein – die eingebaute Regulierung des Weges und der Mangel an Ausgangssubstrat; zudem ist sogar die Reihenfolge der Gene auf der DNA wichtig. Durch gleichzeitiges Drehen von drei Knöpfen (Substrat → Enzyme → Genreihenfolge) lässt sich die Produktionsobergrenze anheben. Die Arbeit wurde am 11. August 2025 in mBio veröffentlicht.

Hintergrund der Studie

• Warum braucht jeder Vitamin K₂? Menachinone (Vitamin K₂) sind wichtig für die Blutgerinnung, die Knochengesundheit und wahrscheinlich auch für die Blutgefäße. Die Nachfrage nach Nahrungsergänzungsmitteln steigt, und die klassische chemische Synthese ist teuer und nicht gerade umweltfreundlich. Die logische Lösung ist die Herstellung von K₂ durch Fermentation mit sicheren Lebensmittelbakterien.
• Warum Lactococcus lactis? Es ist das Arbeitspferd der Milchindustrie und hat den GRAS-Status. Es ist leicht zu kultivieren, sicher und wird bereits in Lebensmitteln verwendet – die perfekte Basis, um den Mikroben in eine Vitamin-Biofabrik zu verwandeln.
• Wo ist die Sackgasse? Der K₂-Biosyntheseweg verläuft über reaktive Chinon-Zwischenprodukte. Einerseits werden sie von der Zelle benötigt (Energie, Elektronentransfer), andererseits wirken sie im Übermaß toxisch (oxidativer Stress). Selbst wenn man die Enzyme „optimiert“, setzt die Zelle selbst der Flussrate Grenzen.
• Was vorher fehlte.
  • Genaue Messungen instabiler Zwischenmetaboliten – sie sind mit Standardmethoden schwer zu „erfassen“.
  • Verstehen, ob die geringe Ausgabe auf die Pfadregulierung, den Mangel an Ausgangssubstrat oder … die oft übersehene Architektur des Operons (die Reihenfolge der Gene auf der DNA) zurückzuführen ist.
• Warum diese Arbeit? Die Autoren benötigten:
  1. einen empfindlichen Biosensor zu entwickeln, um endlich die „schlüpfrigen“ Zwischenprodukte zu messen;
  2. Stellen Sie ein Modell der gesamten Kaskade zusammen und finden Sie heraus, wo die wirklichen „Engpässe“ liegen.
  3. um zu testen, wie drei Knöpfe gleichzeitig die Freisetzung beeinflussen – Substratversorgung, Konzentration wichtiger Enzyme und Reihenfolge der Gene – und ob es möglich ist, die natürliche Obergrenze zu durchbrechen, indem man sie gemeinsam dreht.
• Praktischer Sinn. Wenn man versteht, wo genau die Mikrobe „ausbremst“, kann man Stämme entwickeln, die mit den gleichen Ressourcen mehr Vitamine produzieren und die Produktion günstiger und umweltfreundlicher gestalten. Dies ist auch für andere Herstellungswege nützlich, bei denen „nützliche“ Chinone an der Grenze zur Toxizität stehen – von Vitaminen bis hin zu Arzneimittelvorläufern.

Was genau haben sie getan?

• Ein unsichtbares Zwischenprodukt wurde entdeckt. Die Vorstufe, aus der alle Formen von Vitamin K₂ (Menachinon) aufgebaut sind, ist sehr instabil. Um es zu „sehen“, wurde in einem anderen Bakterium ein maßgeschneiderter Biosensor hergestellt – die Empfindlichkeit erhöhte sich tausendfach, und für die Messungen genügten einfache Laborgeräte.
• Sie veränderten die Genetik und verglichen sie mit dem Modell. Die Forscher veränderten die Konzentrationen wichtiger Enzyme des Stoffwechselwegs und verglichen die tatsächliche Freisetzung des Vorläufers mit den Vorhersagen des Modells. Während das Modell davon ausging, dass das Substrat „unendlich“ sei, wichen alle Ergebnisse voneinander ab. Die Erschöpfung des Ausgangsmaterials war zu berücksichtigen, und die Vorhersagen bestätigten sich: Wir stoßen nicht nur auf Enzyme, sondern auch auf Rohstoffe für den Stoffwechselweg.
• Die Rolle der DNA-"Architektur" wurde entdeckt. Sogar die Reihenfolge der Gene der Enzymkaskade beeinflusst den Gehalt des instabilen Zwischenprodukts. Die Umlagerung führte zu spürbaren Verschiebungen – das bedeutet, dass die Evolution auch die Geometrie des Genoms als Regulator nutzt.

Die wichtigsten Erkenntnisse in einfachen Worten

• L. lactis behält gerade genug Vorläufersubstanz, um zu überleben und zu wachsen, ohne toxisch zu werden. Das einfache „Hinzufügen von Enzymen“ hilft nicht, wenn nicht genügend Substrat vorhanden ist: Es ist, als würde man mehr Backbleche auslegen, ohne Mehl hinzuzufügen.
• Die Produktionsobergrenze wird durch zwei Faktoren bestimmt: die interne Regulierung des Stoffwechselwegs und die Verfügbarkeit der Quelle. Hinzu kommt die Anordnung der Gene im Operon. Durch die gleichzeitige Anpassung von drei Ebenen können Sie die natürliche Grenze überschreiten.

Warum ist das notwendig?

• Vitamin K₂ ist wichtig für die Blutgerinnung, die Knochen und möglicherweise auch für die Gefäßgesundheit. Derzeit wird es durch chemische Synthese oder Extraktion aus Rohstoffen gewonnen – dies ist teuer und nicht besonders umweltfreundlich. Die Entwicklung sicherer Lebensmittelbakterien bietet die Möglichkeit, K₂ durch Fermentation herzustellen – günstiger und „grüner“.
• Wenn man versteht, wo die „Bremsen“ im Syntheseweg liegen, ist das für die Hersteller eine Orientierungshilfe: Es ist möglich, Stämme zu züchten, die bei gleicher Futtermenge und Fläche mehr Vitamin produzieren, und in Zukunft sogar Probiotika, die K₂ direkt im Produkt oder im Darm synthetisieren (natürlich unter strenger Regulierung).

Zitate

• „Vitaminproduzierende Mikroben haben das Potenzial, die Ernährung und Medizin zu verändern, aber zuerst müssen wir ihre internen ‚Nothähne‘ entschlüsseln“, sagt Co-Autorin Caroline Aho-Franklin (Rice University).
• „Als wir die Erschöpfung des Substrats berücksichtigten, stimmte das Modell schließlich mit dem Experiment überein: Die Zellen erreichen eine natürliche Obergrenze, wenn die Quelle versiegt“, fügt Oleg Igoshin hinzu.

Was das für die Branche bedeutet – Punkt für Punkt

• Tools: Es gibt nun einen Biosensor zur Feinsteuerung und ein Modell, das „Bottlenecks“ korrekt berechnet. Das beschleunigt den Zyklus „Design → Check“.
• Skalierungsstrategie: Jagen Sie nicht einem „Superenzym“ hinterher. Drehen Sie an drei Stellschrauben: Substratzufuhr → Enzymspiegel → Genreihenfolge. So erhöhen Sie die Chance, die natürliche Grenze zu durchbrechen.
• Verträglichkeit: Die Prinzipien des Nutzen-Toxizitäts-Gleichgewichts für Chinone gelten auch für andere Mikroben und Stoffwechselwege, von Vitaminen bis hin zu Antibiotika: Zu viele reaktive Zwischenprodukte und Wachstumseinbußen.

Wo bleibt die Vorsicht?

Dies ist eine grundlegende Arbeit an sicheren Lebensmittelbakterien unter Laborbedingungen. Vor dem Workshop sind noch Fragen offen: Stammstabilität, Regulierung für „funktionale“ Produkte, Skalierungsökonomie. Der Fahrplan – wohin man sich wenden und was man messen soll – existiert jedoch bereits.

Zusammenfassung

Um mehr Vitamine aus einem Mikroorganismus zu gewinnen, reicht es nicht aus, einem Enzym einfach „Gas zu geben“ – es ist auch wichtig, Treibstoff zu liefern und die richtige Verkabelung zu montieren. Die mBio- Studie zeigt, wie Substrat, Gene und Regulation optimiert werden können, um Lactococcus lactis in eine grüne K₂-Fabrik zu verwandeln – und Vitamine günstiger und sauberer zu machen.

Quelle: Li S. et al. Die Wachstumsvorteile und die Toxizität der Chinonbiosynthese werden durch einen dualen Regulationsmechanismus und Substratbeschränkungen ausgeglichen, mBio, 11. August 2025. doi.org/10.1128/mbio.00887-25.