Czym jest prototrof i jakie są jego zastosowania?

Prototrofy są organizmami lub komórkami zdolnymi do wytwarzania aminokwasów, których potrzebują do procesów życiowych. Termin ten jest zwykle używany w odniesieniu do konkretnej substancji. Jest to przeciwieństwo terminu auksotroficznego.

Ten ostatni termin jest używany do zdefiniowania mikroorganizmu, który jest zdolny do wzrostu i namnażania się w pożywce hodowlanej tylko wtedy, gdy dodano do niego określony składnik odżywczy. W przypadku prototrofa może on rozwijać się bez takiej substancji, ponieważ jest w stanie sam go wyprodukować.

Organizm lub szczep, na przykład niezdolny do wzrostu pod nieobecność lizyny, można by nazwać lizyną auksotroficzną. Z kolei prototroficzny szczep lizyny będzie rósł i mógł się rozmnażać niezależnie od obecności lub braku lizyny w pożywce hodowlanej.

Zasadniczo szczep auksotroficzny utracił funkcjonalną ścieżkę metaboliczną, która pozwoliła mu na syntezę podstawowej substancji, niezbędnej dla jej żywotnych procesów.

Ten brak jest zwykle spowodowany mutacją. Mutacja generuje zerowy allel, który nie posiada biologicznej zdolności do wytwarzania substancji obecnej w prototrofie.

Aplikacje

Biochemia

Auksotroficzne markery genetyczne są często stosowane w genetyce molekularnej. Każdy gen zawiera informacje, które kodują białko. Wykazali to badacze George Beadle i Edward Tatum w pracy, która uczyniła ich wierzycielami Nagrody Nobla.

Ta specyficzność genów pozwala na mapowanie szlaków biosyntetycznych lub biochemicznych. Mutacja genu prowadzi do mutacji białka. W ten sposób można go określić w auksotroficznych szczepach badanych bakterii, których enzymy są dysfunkcyjne z powodu mutacji.

Inną metodą określania dróg biosyntezy jest zastosowanie auksotroficznych szczepów specyficznych aminokwasów. W tych przypadkach, potrzeba takich aminokwasów przez szczepy jest wykorzystywana do dodawania nienaturalnych analogów białek w pożywce hodowlanej.

Na przykład zastąpienie fenyloalaniny przez para-azydofenyloalaninę w hodowlach szczepów auksotroficznych Escherichia coli dla fenyloalaniny.

Markery auksotroficzne

Mutacje w obrębie genów kodujących enzymy biorące udział w szlakach biosyntezy metabolicznych cząsteczek budulcowych są wykorzystywane jako znaczniki w ogromnej większości eksperymentów genetycznych z drożdżami.

Niedobór żywieniowy spowodowany mutacją (auksotrofią) można skompensować przez dostarczenie wymaganej substancji odżywczej do pożywki wzrostowej.

Jednakże taka kompensacja niekoniecznie jest ilościowa, ponieważ mutacje wpływają na różne parametry fizjologiczne i mogą działać synergistycznie.

Z tego powodu przeprowadzono badania w celu uzyskania szczepów prototroficznych w celu wyeliminowania markerów auksotroficznych i zmniejszenia błędu w badaniach fizjologicznych i metabolicznych.

Test Amesa

Test Amesa, zwany również testem mutagenezy Salmonella, został opracowany przez Bruce'a N. Amesa w latach 70. w celu określenia, czy substancja chemiczna jest mutagenem.

Opiera się na zasadzie odwrotnej mutacji lub późniejszej mutacji. Wykorzystuje wiele szczepów auksotroficznych Salmonella typhimurium do histydyny.

Moc substancji chemicznej do wywołania mutacji mierzy się przez zastosowanie jej na bakteriach na płytce zawierającej histydynę. Bakterie są następnie przenoszone do nowej płytki ubogiej w histydynę.

Jeśli substancja nie jest mutagenna, bakterie nie wykazywałyby wzrostu w nowej płytce. W innym przypadku auksotroficzne bakterie histydynowe mutują z powrotem do szczepów prototroficznych do histydyny.

Porównanie proporcji wzrostu bakterii na płytkach zi bez leczenia pozwala na ilościowe określenie mocy mutagennej związku na bakteriach.

To możliwe działanie mutagenne u bakterii wskazuje na możliwość, że powoduje takie same skutki u innych organizmów, w tym u ludzi.

Uważa się, że związek, który jest zdolny do wywołania mutacji w bakteryjnym DNA, może również być zdolny do wytwarzania mutacji, które mogą powodować raka.

Inne zastosowania do testu Amesa

Rozwój nowych szczepów

Test Amesa zastosowano do uzyskania nowych szczepów bakteryjnych. Na przykład opracowano szczepy z niedoborem nitroreduktaz.

Szczepy te są wykorzystywane do badania metabolizmu ksenobiotyków i systemów naprawy DNA. Były również użyteczne do oceny mechanizmów metabolicznych nitrogrup w celu wytworzenia aktywnych mutagenów, jak również mechanizmów nitrowania związków genotoksycznych.

Antymutageneza

Test Amesa wykorzystano również jako narzędzie do badania i klasyfikacji naturalnych antymutagenów. Antymutageny są związkami, które mogą zmniejszyć uszkodzenia mutagennego DNA, głównie poprzez poprawę ich systemów naprawczych.

W ten sposób takie związki unikają początkowych etapów rozwoju raka. Od wczesnych lat 80. XX wieku Ames i współpracownicy przeprowadzili badania w celu oceny redukcji genotoksyn i ryzyka raka poprzez dietę bogatą w antymutagen.

Zaobserwowali, że populacje z dietą o wysokim poziomie antymutagenu miały mniejsze ryzyko rozwoju raka żołądka i jelit.

Test Amesa był szeroko stosowany do badania kilku ekstraktów roślinnych, o których wiadomo, że zmniejszają mutagenność. Badania te wykazały również, że składniki roślin nie zawsze są bezpieczne. Wykazano, że wiele jadalnych roślin ma działanie genotoksyczne.

Test Amesa okazał się również przydatny do wykrywania toksycznego lub antymutagennego działania naturalnych związków, które są często stosowane w medycynie alternatywnej.

Badania metabolizmu genotoksycznego

Jedną ze słabości testu Amesa był brak aktywacji metabolicznej związków genotoksycznych. Jednakże problem ten został rozwiązany przez dodanie homogenatów wątroby indukowanych przez CYP przygotowane z gryzoni.

CYP jest hemoproteiną związaną z metabolizmem różnych substancji. Ta modyfikacja dodała nowe możliwości do testu Amesa. Na przykład oceniano kilka induktorów CYP, które wykazały, że enzymy te są indukowane przez różne typy związków.

Ocena mutagenów w płynach biologicznych

Testy te wykorzystują próbki moczu, osocza i surowicy. Mogą być przydatne do oceny tworzenia związków N-nitrozowych in vivo z leków aminowych.

Mogą być również przydatne w badaniach epidemiologicznych populacji ludzkich narażonych na mutageny zawodowe, nawyki palenia i narażenie na zanieczyszczenia środowiska.

Testy te wykazały na przykład, że pracownicy narażeni na produkty odpadowe mają wyższy poziom mutagenów moczowych niż ci, którzy pracowali w zakładach uzdatniania wody.

Służyło również do wykazania, że ​​użycie rękawic zmniejsza stężenia mutagenów u pracowników odlewni narażonych na aromatyczne związki wielopierścieniowe.

Badania mutagenów w moczu są również cennym narzędziem do oceny antymutagennej, ponieważ na przykład ten test wykazał, że podawanie witaminy C hamuje tworzenie związków N-nitrozowych.

Służyło również do wykazania, że ​​spożywanie zielonej herbaty przez miesiąc zmniejsza stężenie mutagenów w moczu.