새로운 방식으로 비타민 K₂를 만드는 방법: "치즈" 미생물이 과학자들에게 비타민을 더 저렴하고 친환경적으로 만드는 방법을 가르친 방법

라이스 대학교 연구팀은 치즈와 케피어의 안전한 "일꾼"인 락토코쿠스 락티스(Lactococcus lactis ) 박테리아가 비타민 K₂ 전구체를 과다 생산하지 않으려는 이유와 이를 "제한하는 요인"을 조심스럽게 제거하는 방법을 밝혀냈습니다. 세포는 유익(퀴논은 에너지 생성에 필요함)과 독성(퀴논의 과다 생산은 산화 스트레스를 유발함) 사이에서 균형을 유지하는 것으로 밝혀졌습니다. 과학자들은 초고감도 바이오센서를 조립하고, 합성 경로에 "전선을 연결"하여 수학적 모델을 연결했습니다. 결론: 두 가지 "커튼"이 동시에 작용합니다. 경로의 내장된 조절과 초기 기질의 부족입니다. 게다가 DNA 유전자의 순서도 중요합니다. 기질 → 효소 → 유전자 순서, 이 세 가지 조절 손잡이를 함께 조정하면 생산량의 한계를 높일 수 있습니다. 이 연구는 2025년 8월 11일 mBio 에 게재되었습니다.

연구 배경

• 왜 모든 사람에게 비타민 K₂가 필요할까요? 메나퀴논(비타민 K₂)은 혈액 응고, 뼈 건강, 그리고 아마도 혈관 건강에 중요합니다. 보충제 수요가 증가하고 있는 가운데, 전통적인 화학 합성법은 비용이 많이 들고 친환경적이지 않습니다. 합리적인 해결책은 안전한 식품 박테리아를 이용하여 K₂를 발효시키는 것입니다.
• 왜 락토코커스 락티스일까요? 락토코커스 락티스 는 GRAS(미국 식품의약국) 인증을 받은 유제품 업계의 주력 제품입니다. 배양이 쉽고 안전하며 이미 식품에 사용되고 있어, 미생물을 비타민 바이오팩토리로 전환하는 데 완벽한 기반이 됩니다.
• 진짜 막다른 길은 어디일까요? K₂ 생합성 경로는 반응성 퀴논 중간체를 거칩니다. 한편으로는 세포에 필요하지만(에너지, 전자 전달), 다른 한편으로는 과다하게 생성되면 독성(산화 스트레스)을 유발합니다. 따라서 효소를 "조작"하더라도 세포 자체가 흐름 속도에 제한을 둡니다.
• 이전에는 무엇이 없었나요?
  • 불안정한 중간 대사산물을 정확하게 측정합니다. 표준 방법으로는 "잡기"가 어렵습니다.
  • 낮은 생산량이 경로 조절, 초기 기질 부족 또는 종종 간과되는 오페론 구조(DNA의 유전자 순서) 때문인지 이해합니다.
• 이 연구를 수행한 이유. 저자들은 다음 사항을 필요로 했습니다.
  1. 최종적으로 "미끄러운" 중간체를 측정하기 위한 민감한 바이오센서를 생성합니다.
  2. 전체 계단식 구조의 모델을 조립하고 실제 "병목 현상"이 어디에 있는지 찾아냅니다.
  3. 기질 공급, 주요 효소 수준, 유전자 순서 등 세 가지 손잡이를 동시에 돌리면 방출에 어떤 영향을 미치는지, 그리고 이 세 가지 손잡이를 동시에 돌리면 자연적인 한계를 돌파할 수 있는지 테스트합니다.
• 실용적인 측면 입니다. 미생물이 정확히 어디에서 "속도를 늦추는지" 이해한다면, 동일한 자원으로 더 많은 비타민을 생산하고 생산 비용을 절감하며 환경 친화적인 균주를 설계할 수 있습니다. 이는 비타민부터 약물 전구체에 이르기까지 "유용한" 퀴논이 독성을 띠기 직전인 다른 경로에도 유용합니다.

그들은 정확히 무엇을 했나요?

• 보이지 않는 중간 생성물이 포착되었습니다. 모든 형태의 비타민 K₂(메나퀴논)가 합성되는 전구체는 매우 불안정합니다. 이를 "확인"하기 위해 다른 박테리아에서 맞춤형 바이오센서를 제작했습니다. 민감도가 수천 배 향상되었고, 간단한 실험실 장비만으로도 측정이 가능했습니다.
• 그들은 유전학을 변형하여 모델과 비교했습니다. 연구진은 해당 경로의 주요 효소 수치를 변경하고 전구체의 실제 방출을 모델의 예측과 비교했습니다. 모델은 기질이 "무한하다"고 가정했지만, 모든 것이 달랐습니다. 시작점의 고갈을 고려해 볼 가치가 있었고, 예측은 "적절하게" 들어맞았습니다. 우리는 효소뿐만 아니라 경로의 원료도 마주하고 있는 것입니다.
• DNA "구조"의 역할이 밝혀졌습니다. 효소 연쇄 반응에서 유전자의 순서조차도 불안정한 중간 생성물의 수준에 영향을 미칩니다. 이러한 재배열은 눈에 띄는 변화를 가져왔습니다. 이는 진화가 유전체의 기하학적 구조 또한 조절자로 활용한다는 것을 의미합니다.

간단한 용어로 요약한 주요 결과

• L. lactis는 독성을 나타내지 않고 생존하고 성장하는 데 필요한 만큼의 전구체를 유지합니다. 기질이 충분하지 않으면 단순히 "효소를 첨가하는 것"만으로는 효과가 없습니다. 마치 밀가루를 넣지 않고 쿠키 시트를 더 넣는 것과 같습니다.
• 생산 "한도"는 경로의 내부 조절과 공급원의 가용성, 이 두 가지 요소에 의해 결정됩니다. 이 모든 것에 더해 오페론 내 유전자의 순서도 중요합니다. 세 가지 수준을 동시에 조절하면 자연적인 한계를 넘어설 수 있습니다.

왜 이것이 필요한가요?

• 비타민 K₂는 혈액 응고, 뼈, 그리고 아마도 혈관 건강에 중요합니다. 현재는 화학적 합성이나 원료 추출을 통해 얻어지는데, 이는 비용이 많이 들고 환경 친화적이지 않습니다. 안전한 식품 박테리아를 개발하면 발효를 통해 K₂를 생산할 수 있으며, 이는 더 저렴하고 "친환경적"입니다.
• 합성 경로의 "브레이크"가 어디에 있는지 이해하는 것은 생산자를 위한 지도와 같습니다. 동일한 양의 사료와 면적으로 더 많은 비타민을 생산하는 균주를 만들 수 있으며, 미래에는 제품이나 장에서 K₂를 직접 합성하는 프로바이오틱스도 만들 수 있습니다(물론 엄격한 규제 하에).

인용 부호

• 공동 저자인 캐롤라인 아호-프랭클린(라이스 대학교)은 "비타민을 생성하는 미생물은 영양과 의학을 혁신할 수 있는 잠재력을 가지고 있지만, 먼저 미생물 내부의 '비상 밸브'를 해독해야 합니다."라고 말합니다.
• 올렉 이고신은 "기질 고갈을 고려했을 때, 이 모델은 마침내 실험 결과와 일치했습니다. 즉, 공급원이 고갈되면 세포는 자연적인 한계에 도달합니다."라고 덧붙였습니다.

이것이 산업에 미치는 영향 - 요점별

• 도구: 이제 정밀 제어를 위한 바이오센서와 "병목 현상"을 정확하게 계산하는 모델이 있습니다. 이를 통해 "설계 → 검증" 주기가 단축됩니다.
• 확장 전략: "슈퍼 효소" 하나를 쫓지 마세요. 기질 공급 → 효소 수준 → 유전자 순서, 이렇게 세 가지 요소를 조정하세요. 이렇게 하면 자연적 한계를 돌파할 가능성이 더 높아집니다.
• 내약성: 퀴논의 이점/독성 균형 원칙은 비타민에서 항생제에 이르기까지 다른 미생물과 경로에도 적용됩니다. 반응성 중간체가 너무 많으면 성장이 떨어집니다.

어디에 주의가 필요한가?

이 연구는 안전한 식품 박테리아와 실험실 환경에 대한 근본적인 연구입니다. 워크숍 전까지는 균주 안정성, "기능성" 제품에 대한 규제, 경제성 확장 등 아직 해결해야 할 과제들이 남아 있습니다. 하지만 어디로 향하고 무엇을 측정해야 할지에 대한 로드맵은 이미 존재합니다.

요약

미생물에서 더 많은 비타민을 생산하려면 효소에 "가스를 공급"하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 연료를 공급하고 적절한 배선을 구성하는 것도 중요합니다. mBio 연구는 기질, 유전자, 그리고 조절을 함께 조정하여락토코커스 락티스를 친환경 K₂ 공장으로 만들고 비타민을 더 저렴하고 깨끗하게 만드는 방법을 보여줍니다.

출처: Li S. et al. 퀴논 생합성의 성장 이점과 독성은 이중 조절 기전과 기질 제한에 의해 균형을 이룬다, mBio, 2025년 8월 11일. doi.org/10.1128/mbio.00887-25.