Une nouvelle étude révèle comment Lactococcus lactis (L. lactis), une bactérie alimentaire courante, régule la production d'un précurseur clé dans la biosynthèse de la vitamine K₂ (ménaquinone). Les bactéries produisent suffisamment de ce précurseur pour soutenir leur croissance tout en empêchant l'accumulation toxique.
Les microbes d'ingénierie pour surproduire les vitamines fournissent une alternative plus verte et plus rentable à la synthèse ou à l'extraction chimique des plantes et des animaux. Cependant, les cellules bactériennes limitent généralement leur production à des niveaux d'auto-entretien. En disséquant le système de contrôle du précurseur de la vitamine K
Les microbes producteurs de vitamines pourraient transformer la nutrition et la médecine, mais nous devons d'abord décoder leurs contrôles et contrepoids inhérents. Nos travaux montrent comment L. Lactis écoute finement son approvisionnement interne du précurseur K₂, nous permettant de le recâbler avec précision. »
Caroline Ajo-Franklin, co-correspondante auteur de l'étude, le professeur de biosciences de Ralph et Looney, directeur du Rice Synthetic Biology Institute et d'un Institut de prévention et de recherche du Cancer du Texas (CPRIT)
L'étude, publiée dans le MBIO Journal le 11 août se concentre sur le composé intermédiaire instable qui canalise toutes les formes de vitamine K₂.
Conception et méthodologie de l'étude
Les chercheurs ont utilisé une approche à trois volets: la biodétection, le génie génétique et la modélisation mathématique. Parce que le précurseur est difficile à détecter, l'équipe a construit un biocapteur personnalisé dans une bactérie différente. Ce capteur est des milliers de fois plus sensible que les méthodes conventionnelles et nécessite un équipement de laboratoire minimal.
Ensuite, les chercheurs ont utilisé des outils génétiques pour modifier les niveaux d'enzymes dans la voie biosynthétique. En mesurant la production de précurseurs dans différentes conditions, ils ont alimenté les résultats dans un modèle mathématique de la voie. Initialement, le modèle a supposé un approvisionnement en précurseur illimité, mais les prédictions ne s'alignaient pas sur les résultats de laboratoire.
« Une fois que nous avons permis d'épuiser le substrat de départ, la sortie du modèle correspondait à nos données expérimentales », a déclaré Oleg Igoshin, auteur de co-correspondant et professeur de bio-ingénierie et de biosciences. « Il est devenu clair que les cellules ont atteint un plafond de production naturel lorsque le substrat est bas. »
Résultats et implications
Les données et la modélisation ont indiqué que L. lactis maintient les niveaux de précurseurs à un équilibre optimal, suffisamment élevé pour ses propres besoins mais suffisamment bas pour éviter la toxicité. Les enzymes de voie simplement surexprimant n'ont pas augmenté la production au-delà du seuil car les matériaux précurseurs sont devenus limités, un peu comme tenter de cuire plus de cookies avec des plaques à pâtisserie supplémentaires mais sans assez de farine.
L'ordre des gènes codant pour les enzymes sur l'ADN a également influencé les niveaux de précurseurs: le réarrangement de ces gènes a modifié la quantité d'intermédiaire de la cellule produite. Cela suggère une couche supplémentaire de régulation évolutive qui n'a pas été bien comprise.
« En réglant l'approvisionnement du substrat, l'expression enzymatique et l'ordre des gènes simultanément, nous pouvons pousser la production au-dessus du plafond naturel », a déclaré Siliang Li, le premier auteur de l'étude et un ancien étudiant diplômé qui est maintenant boursier postdoctoral chez Rice.
Cette perspicacité ouvre la porte à l'ingénierie L. lactis ou à d'autres bactéries de qualité alimentaire pour produire plus de vitamine K₂ dans les processus de fermentation ou même dans les formulations probiotiques.
« Une production améliorée pourrait réduire le besoin de matières premières et d'espace de laboratoire, ce qui réduit finalement les coûts et rapprochant les aliments et suppléments fortifiés de la réalité », a déclaré Jiangguo Zhang, co-premier auteur et étudiant diplômé de riz.
Cette étude a été soutenue par CPRIT et la National Science Foundation et facilitée par le Rice Synthetic Biology Institute.
