Vitamin K₂ dengan Cara Baru: Bagaimana Mikroba “Keju” Mengajari Ilmuwan Membuat Vitamin Lebih Murah dan Ramah Lingkungan

Tim dari Universitas Rice telah menemukan mengapa bakteri Lactococcus lactis (bakteri "pekerja keras" yang sama amannya dalam keju dan kefir) dengan keras kepala menolak memproduksi terlalu banyak prekursor vitamin K₂ — dan bagaimana cara "menghilangkan pembatas" dengan hati-hati. Ternyata sel menyeimbangkan antara manfaat (kuinon dibutuhkan untuk energi) dan toksisitas (kelebihannya memicu stres oksidatif). Para ilmuwan telah merakit biosensor supersensitif, "melempar kabel" ke dalam jalur sintesis, dan menghubungkan model matematika. Kesimpulan: dua "tirai" mengganggu sekaligus — regulasi bawaan jalur dan kurangnya substrat awal; ditambah lagi, bahkan urutan gen pada DNA pun penting. Jika Anda menyesuaikan tiga tombol secara bersamaan (substrat → enzim → urutan gen), batas output dapat ditingkatkan. Karya ini dipublikasikan di mBio pada 11 Agustus 2025.

Latar Belakang Penelitian

• Mengapa semua orang membutuhkan vitamin K₂? Menaquinone (vitamin K₂) penting untuk pembekuan darah, kesehatan tulang, dan mungkin juga pembuluh darah. Permintaan suplemen terus meningkat, dan sintesis kimia klasik mahal dan kurang ramah lingkungan. Solusi logisnya adalah memproduksi K₂ melalui fermentasi pada bakteri pangan yang aman.
• Mengapa Lactococcus lactis? Bakteri ini merupakan andalan industri susu, dengan status GRAS. Mudah dibudidayakan, aman, dan sudah digunakan dalam makanan – basis sempurna untuk mengubah mikroba ini menjadi biopabrik vitamin.
• Di mana jalan buntu yang sebenarnya? Jalur biosintesis K₂ melewati perantara kuinon reaktif. Di satu sisi, mereka dibutuhkan oleh sel (energi, transfer elektron), tetapi di sisi lain, jika berlebihan, mereka menjadi toksik (stres oksidatif). Oleh karena itu, bahkan jika Anda "mengubah" enzim, sel itu sendiri yang membatasi laju alirannya.
• Apa yang hilang sebelumnya.
  • Pengukuran akurat terhadap metabolit antara yang tidak stabil - sulit untuk "ditangkap" dengan metode standar.
  • Memahami apakah keluaran rendah disebabkan oleh regulasi jalur, kurangnya substrat awal, atau… arsitektur operon (urutan gen pada DNA) yang sering diabaikan.
• Mengapa karya ini? Penulis membutuhkan:
  1. membuat biosensor sensitif untuk akhirnya mengukur zat antara yang “licin”;
  2. menyusun model seluruh kaskade dan mencari tahu di mana “hambatan” sebenarnya berada;
  3. untuk menguji bagaimana tiga tombol sekaligus memengaruhi pelepasan - pasokan substrat, kadar enzim utama, dan urutan gen - dan apakah mungkin untuk menembus batas alami dengan memutarnya secara bersamaan.
• Makna praktis. Jika Anda memahami secara tepat di mana mikroba "memperlambat dirinya sendiri", Anda dapat merancang galur yang menghasilkan lebih banyak vitamin dengan sumber daya yang sama, dan membuat produksi lebih murah dan lebih ramah lingkungan. Hal ini juga berguna untuk jalur lain di mana kuinon "bermanfaat" berada di ambang toksisitas – mulai dari vitamin hingga prekursor obat.

Apa sebenarnya yang mereka lakukan?

• Produk antara yang tak terlihat berhasil ditangkap. Prekursor yang menjadi dasar pembentukan semua bentuk vitamin K₂ (menaquinone) sangat tidak stabil. Untuk "melihatnya", biosensor khusus dibuat pada bakteri lain - sensitivitasnya meningkat ribuan kali lipat, dan peralatan laboratorium sederhana sudah cukup untuk pengukuran.
• Mereka memutar genetika dan membandingkannya dengan model. Para peneliti mengubah kadar enzim kunci jalur tersebut dan membandingkan pelepasan prekursor yang sebenarnya dengan prediksi model. Meskipun model menganggap substratnya "tak terbatas", semuanya berbeda. Penipisan awal patut dipertimbangkan, dan prediksi "ternyata" tepat: kita tidak hanya menemukan enzim, tetapi juga bahan baku untuk jalur tersebut.
• Peran "arsitektur" DNA telah ditemukan. Bahkan urutan gen dalam kaskade enzim memengaruhi tingkat produk antara yang tidak stabil. Penataan ulang ini menghasilkan pergeseran yang nyata - ini berarti evolusi juga menggunakan geometri genom sebagai pengatur.

Temuan utama secara sederhana

• L. lactis mempertahankan prekursor secukupnya untuk bertahan hidup dan tumbuh tanpa menjadi toksisitas. "Menambahkan enzim" saja tidak akan membantu jika substratnya tidak mencukupi: ibarat menambahkan lebih banyak loyang kue tanpa menambahkan tepung.
• "Plafon" produksi ditentukan oleh dua hal sekaligus: regulasi internal jalur dan ketersediaan sumber. Selain itu, urutan gen dalam operon juga menjadi faktor penentu. Penyetelan tiga level sekaligus memungkinkan Anda melampaui batas alami.

Mengapa hal ini perlu?

• Vitamin K₂ penting untuk pembekuan darah, tulang, dan mungkin kesehatan pembuluh darah. Saat ini, vitamin ini diperoleh melalui sintesis kimia atau ekstraksi dari bahan mentah – cara ini mahal dan kurang ramah lingkungan. Rekayasa bakteri pangan yang aman memberikan peluang untuk memproduksi K₂ melalui fermentasi – yang lebih murah dan "lebih ramah lingkungan".
• Memahami di mana “rem” dalam jalur sintesis berada adalah peta bagi produsen: adalah mungkin untuk menciptakan strain yang menghasilkan lebih banyak vitamin pada jumlah pakan dan area yang sama, dan di masa depan, bahkan probiotik yang mensintesis K₂ langsung dalam produk atau di usus (tentu saja dengan regulasi yang ketat).

Kutipan

• "Mikroba penghasil vitamin berpotensi mengubah nutrisi dan obat-obatan, tetapi pertama-tama kita perlu menguraikan 'penghenti darurat' internal mereka," kata rekan penulis Caroline Aho-Franklin (Universitas Rice).
• “Ketika kami memperhitungkan penipisan substrat, model akhirnya sesuai dengan eksperimen: sel mencapai batas alami ketika sumbernya habis,” tambah Oleg Igoshin.

Apa arti hal ini bagi industri – poin demi poin

• Peralatan: Kini tersedia biosensor untuk kontrol halus dan model yang menghitung "kemacetan" dengan tepat. Hal ini mempercepat siklus "desain → pemeriksaan".
• Strategi penskalaan: Jangan mengejar satu "enzim super". Sesuaikan tiga tombol: pemberian substrat → kadar enzim → urutan gen. Dengan cara ini, Anda memiliki peluang lebih tinggi untuk menembus batas alami.
• Tolerabilitas: Prinsip keseimbangan manfaat/toksisitas untuk kuinon juga berlaku untuk mikroba dan jalur lain, dari vitamin hingga antibiotik: terlalu banyak zat antara reaktif dan pertumbuhan akan menurun.

Di mana kehati-hatian?

Ini merupakan pekerjaan mendasar mengenai bakteri pangan yang aman dan dalam kondisi laboratorium. Masih ada pertanyaan yang perlu diajukan sebelum lokakarya: stabilitas strain, regulasi untuk produk "fungsional", dan skala ekonomi. Namun, peta jalan—arah yang harus dituju dan apa yang harus diukur—sudah ada.

Ringkasan

Untuk menghasilkan lebih banyak vitamin dari mikroba, tidak cukup hanya "memberi gas" pada enzim — penting juga untuk menyediakan bahan bakar dan menyusun jaringan yang tepat. Studi mBio menunjukkan cara mengoptimalkan substrat, gen, dan regulasi untuk mengubah Lactococcus lactis menjadi pabrik K₂ yang ramah lingkungan — dan membuat vitamin lebih murah dan lebih bersih.

Sumber: Li S. dkk. Manfaat pertumbuhan dan toksisitas biosintesis kuinon diimbangi oleh mekanisme regulasi ganda dan keterbatasan substrat, mBio, 11 Agustus 2025. doi.org/10.1128/mbio.00887-25.