ЧТО ТАКОЕ ПРОТОТРОФ И КАКОВО ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ? - БИОЛОГИЯ - 2025

В прототрофы организмы или клетки, которые способны производить аминокислоты , которые требуют для их жизненных процессов. Этот термин обычно используется по отношению к определенному веществу. Это противоположно термину ауксотроф.

Этот последний термин используется для определения микроорганизма, который способен расти и размножаться в питательной среде только в том случае, если в него было добавлено определенное питательное вещество. В случае прототрофа он может процветать без указанного вещества, потому что он способен производить его сам.

Простое сравнение ауксотрофа и прототрофа. Взято и отредактировано с сайта: Akardoust, из Wikimedia Commons.

Например, организм или штамм, неспособный расти в отсутствие лизина, будет называться ауксотрофным лизином. В свою очередь, прототрофный штамм лизина будет расти и воспроизводиться независимо от присутствия или отсутствия лизина в культуральной среде.

По сути, ауксотрофный штамм утратил функциональный метаболический путь, который позволил ему синтезировать фундаментальное вещество, необходимое для его жизненно важных процессов.

Этот недостаток обычно связан с мутацией. Мутация порождает нулевой аллель, который не обладает биологической способностью производить вещество, присутствующее в прототрофе.

Приложения

биохимия

Ауксотрофные генетические маркеры часто используются в молекулярной генетике. Каждый ген содержит информацию, кодирующую белок. Это продемонстрировали исследователи Джордж Бидл и Эдвард Татум в своей работе, которая принесла им Нобелевскую премию.

Эта специфичность генов позволяет картировать биосинтетические или биохимические пути. Мутация гена приводит к мутации белка. Таким образом, в ауксотрофных штаммах исследуемых бактерий можно определить, какие ферменты являются дисфункциональными из-за мутаций.

Другой метод определения биосинтетических путей - использование ауксотрофных штаммов определенных аминокислот. В этих случаях потребность штаммов в таких аминокислотах используется для добавления неприродных аминокислотных аналогов белков в культуральную среду.

Например, замена пара-азидофенилаланина на фенилаланин в культурах штаммов Escherichia coli, ауксотрофных по фенилаланину.

Ауксотрофные маркеры

Мутации в генах, кодирующих ферменты, которые участвуют в путях биосинтеза метаболических строительных молекул, используются в качестве маркеров в подавляющем большинстве генетических экспериментов с дрожжами.

Дефицит питательных веществ, вызванный мутацией (ауксотрофия), можно компенсировать, добавляя необходимое питательное вещество в питательную среду.

Однако такая компенсация не обязательно является количественной, поскольку мутации влияют на различные физиологические параметры и могут действовать синергетически.

По этой причине были проведены исследования для получения прототрофных штаммов с целью устранения ауксотрофных маркеров и уменьшения систематической ошибки в физиологических и метаболических исследованиях.

Тест Эймса

Тест Эймса, также называемый тестом на мутагенез сальмонелл, был разработан Брюсом Н. Эймсом в 1970-х годах для определения того, является ли химическое вещество мутагеном.

Он основан на принципе обратной мутации или задней мутации. Он использует несколько штаммов Salmonella typhimurium, ауксотрофных по отношению к гистидину.

Способность химического вещества вызывать мутации измеряется путем нанесения его на бактерии на чашке, содержащей гистидин. Впоследствии бактерии перемещаются в новую бляшку с низким содержанием гистидина.

Если вещество не является мутагенным, бактерии не будут расти на новом налете. В другом случае ауксотрофные по гистидину бактерии снова мутируют в прототрофные гистидиновые штаммы.

Культура прототрофной бактерии Salmonella typhimurium. Взято и отредактировано по адресу: Sun14916, из Wikimedia Commons.

Сравнение доли роста бактерий в чашках с обработкой и без обработки позволяет количественно оценить мутагенное действие соединения на бактерии.

Этот возможный мутагенный эффект у бактерий указывает на возможность вызвать такие же эффекты у других организмов, включая человека.

Считается, что соединение, способное вызывать мутацию в бактериальной ДНК, также может вызывать мутации, вызывающие рак.

Другие приложения к тесту Эймса

Разработка новых штаммов

Тест Эймса был применен для получения новых бактериальных штаммов. Например, были разработаны штаммы с дефицитом нитроредуктазы.

Эти штаммы используются для изучения метаболизма ксенобиотиков и систем репарации ДНК. Они также были полезны для оценки метаболических механизмов нитрогрупп для производства активных мутагенов, а также механизмов нитрования генотоксичных соединений.

Антимутагенез

Тест Эймса также использовался в качестве инструмента для изучения и классификации природных антимутагенов. Антимутагены - это соединения, которые могут уменьшить мутагенные повреждения ДНК, в основном за счет улучшения их систем восстановления.

Таким образом, такие соединения предотвращают начальные стадии развития рака. С начала 1980-х годов (20-й век) Эймс и др. Проводили исследования для оценки снижения генотоксинов и риска рака с помощью диеты, богатой антимутагенами.

Они отметили, что у населения, которое придерживалось диеты с высоким уровнем антимутагенов, был более низкий риск развития рака желудочно-кишечного тракта.

Тест Эймса широко использовался для изучения различных экстрактов растений, которые, как известно, снижают мутагенность. Эти исследования также показали, что компоненты растений не всегда безопасны. Было показано, что многие съедобные растения обладают генотоксическим действием.

Также было показано, что тест Эймса полезен для выявления токсических или антимутагенных эффектов природных соединений, которые часто используются в альтернативной медицине.

Исследования генотоксического метаболизма

Одним из недостатков теста Эймса было отсутствие метаболической активации генотоксичных соединений. Однако эта проблема была решена путем добавления индуцированных CYP гомогенатов печени, полученных от грызунов.

CYP - это гемопротеин, связанный с метаболизмом различных веществ. Эта модификация добавила новые возможности в тест Эймса. Например, были оценены различные индукторы CYP, которые показали, что эти ферменты индуцируются различными типами соединений.

Оценка мутагенов в биологических жидкостях

В этих тестах используются образцы мочи, плазмы и сыворотки. Они могут быть полезны для оценки образования N-нитрозосоединений in vivo из аминопрепаратов.

Они также могут быть полезны в эпидемиологических исследованиях людей, подвергающихся воздействию профессиональных мутагенов, курению и загрязнению окружающей среды.

Эти испытания показали, например, что рабочие, подвергающиеся воздействию отходов, имеют более высокие уровни мутагенов в моче, чем те, кто работал на водоочистных сооружениях.

Это также продемонстрировало, что использование перчаток снижает концентрацию мутагенов у литейщиков, подвергающихся воздействию полициклических ароматических соединений.

Исследования мутагенов в моче также являются ценным инструментом для оценки антимутагенных свойств, поскольку, например, этот тест продемонстрировал, что введение витамина С подавляет образование N-нитрозосоединений.

Это также продемонстрировало, что употребление зеленого чая в течение месяца снижает концентрацию мутагенов в моче.

Ссылки

1. Б. Н. Эймс, Дж. Макканн, Э. Ямасаки (1975). Методы обнаружения канцерогенов и мутагенов с помощью теста на мутагенность сальмонелл / микросом млекопитающих. Мутационные исследования / Мутагенез в окружающей среде и связанные предметы.
2. Б. Арриага-Альба, Р. Монтеро-Монтойя, Дж. Дж. Эспиноза (2012). Тест Эймса в двадцать первом веке. Исследования и обзоры: журнал токсикологии.
3. Ауксотрофия. В Википедии. Восстановлено с https://en.wikipedia.org/wiki/Auxotrophy.
4. С. Беннер (2001). Энциклопедия генетики. Академическая пресса.
5. Ф. Фрёлих, Р. Кристиано, ТК Вальтер (2013). Нативный SILAC: метаболическое мечение белков прототрофных микроорганизмов на основе регуляции синтеза лизина. Молекулярная и клеточная протеомика.
6. М. Мюлледер, Ф. Капуано, П. Пир, С. Кристен, У. Зауэр, С. Г. Оливер, М. Ральсер (2012). Коллекция мутантов с прототрофной делецией для метаболомики дрожжей и системной биологии. Природа Биотехнологии.