КАКВО Е ПРОТОТРОФ И КАКВИ СА НЕГОВИТЕ ПРИЛОЖЕНИЯ? - БИОЛОГИЯ - 2025

На prototrophs са организми или клетки, които са способни да продуцират аминокиселините, които изискват за техните жизнени процеси. Този термин обикновено се използва във връзка с определено вещество. То е противоположно на термина ауксотроф.

Този последен термин се използва за определяне на микроорганизъм, който е способен да расте и да се размножава в културална среда само ако към него е добавено определено хранително вещество. В случая на прототрофа той може да процъфтява без споменатото вещество, защото е способен сам да го произвежда.

Просто сравнение между ауксотроф и прототроф. Взето и редактирано от: Akardoust, от Wikimedia Commons.

Организъм или щам, например, неспособен да расте при липса на лизин, би се наричал ауксотрофен лизин. Прототрофният лизинов щам от своя страна ще расте и се възпроизвежда независимо от присъствието или отсъствието на лизин в хранителната среда.

По същество, ауксотрофният щам е загубил функционален метаболитен път, който му е позволил да синтезира основно вещество, важно за жизнените му процеси.

Този дефицит обикновено се дължи на мутация. Мутацията генерира нулев алел, който няма биологичната способност да произвежда вещество, присъстващо в прототрофа.

Приложения

биохимия

Ауксотрофните генетични маркери често се използват в молекулярната генетика. Всеки ген съдържа информацията, която кодира протеин. Това демонстрираха изследователите Джордж Бийдъл и Едуард Тейтъм в работата си, която им спечели Нобелова награда.

Тази специфичност на гените позволява картографиране на биосинтетични или биохимични пътища. Мутация на ген води до мутация на протеин. По този начин може да се определи в ауксотрофните щамове на изследваните бактерии кои ензими са дисфункционални поради мутации.

Друг метод за определяне на биосинтетичните пътища е използването на ауксотрофни щамове на специфични аминокиселини. В тези случаи се използва експлоатацията на щамовете от такива аминокиселини, за да се добавят неестествени аналози на аминокиселини на протеините в културната среда.

Например, заместване на фенилаланин с пара-азидо фенилаланин в култури от щамове Escherichia coli, ауксотрофни за фенилаланин.

Ауксотрофни маркери

Мутациите в гените, които кодират ензими, които участват в пътищата за биосинтеза на метаболитни изграждащи молекули, се използват като маркери в огромната част от генетичните експерименти с дрожди.

Хранителният дефицит, причинен от мутацията (ауксотрофия), може да бъде компенсиран чрез осигуряване на необходимото хранително вещество в растежната среда.

Това компенсиране обаче не е непременно количествено, тъй като мутациите влияят на различни физиологични параметри и могат да действат синергично.

Поради това са проведени изследвания за получаване на прототрофни щамове с оглед елиминиране на ауксотрофните маркери и намаляване на пристрастието при физиологични и метаболитни изследвания.

Тестът на Еймс

Тестът на Еймс, наричан още тест за мутагенеза на салмонела, е разработен от Брус Н. Еймс през 70-те години, за да определи дали химикал е мутаген.

Той се основава на принципа на обратната мутация или задната мутация. Използва множество щамове на Salmonella typhimurium ауксотрофен към хистидин.

Силата на даден химикал да причини мутация се измерва, като се прилага върху бактерии върху плака, съдържаща хистидин. Впоследствие бактериите се преместват в нова плака, бедна на хистидин.

Ако веществото не е мутагенно, бактериите няма да покажат растеж на новата плака. В друг случай, хистидин ауксотрофните бактерии отново ще мутират до прототрофни хистидинови щамове.

Култура на прототрофната бактерия Salmonella typhimurium. Взето и редактирано от: Sun14916, от Wikimedia Commons

Сравнението на съотношението на растежа на бактериите в плочи със и без лечение дава възможност за количествено определяне на мутагенната сила на съединението върху бактериите.

Този възможен мутагенен ефект при бактериите показва възможността да предизвика същите ефекти при други организми, включително и при хората.

Смята се, че съединение, което е способно да причини мутация в бактериалната ДНК, може също да бъде способно да произвежда мутации, които могат да причинят рак.

Други приложения към теста на Еймс

Разработване на нови щамове

Тестът на Ames е приложен за получаване на нови бактериални щамове. Например, са разработени дефицити на нитроредуктаза.

Тези щамове се използват за изследване на ксенобиотичен метаболизъм и системи за възстановяване на ДНК. Те също са били полезни за оценка на метаболитните механизми на нитрогрупите за производство на активни мутагени, както и механизмите за нитрация на генотоксичните съединения.

Antimutagenesis

Тестът на Еймс е използван и като инструмент за изследване и класифициране на естествените антимутагени. Антимутагените са съединения, които могат да намалят мутагенните лезии в ДНК, главно чрез подобряване на техните системи за възстановяване.

По този начин такива съединения избягват началните етапи на развитие на рак. От началото на 80-те години (20-ти век) Ames et al. Провеждат проучвания за оценка на намаляване на генотоксина и рисковите рискове чрез диета, богата на антимутагени.

Те наблюдават, че популациите, които са имали диети с високо ниво на антимутагени, са с по-нисък риск от развитие на гастроентеричен рак.

Тестът на Ames се използва широко за изследване на различни растителни екстракти, за които се знае, че намаляват мутагенността. Тези проучвания показват също, че растителните компоненти не винаги са безопасни. Доказано е, че много ядливи растения имат генотоксични ефекти.

Тестът на Ames също се оказа полезен при откриване на токсичните или антимутагенните ефекти на естествените съединения, които често се използват в алтернативната медицина.

Изследвания на генотоксичния метаболизъм

Една от слабостите на теста на Еймс е липсата на метаболитна активация на генотоксичните съединения. Този проблем обаче е решен чрез добавяне на индуцирани от CYP чернодробни хомогенати, приготвени от гризачи.

CYP е хемопротеин, свързан с метаболизма на различни вещества. Тази модификация добави нови възможности към теста на Еймс. Например, бяха оценени различни индуктори на CYP, които показаха, че тези ензими се индуцират от различни видове съединения.

Оценка на мутагени в биологични течности

Тези тестове използват проби от урина, плазма и серум. Те могат да бъдат полезни за оценка на образуването на N-нитрозо съединения in vivo от амино лекарства.

Те могат да бъдат полезни и при епидемиологични изследвания на човешки популации, изложени на професионални мутагени, навици за тютюнопушене и излагане на замърсители в околната среда.

Тези тестове показват например, че работниците, изложени на отпадъчни продукти, имат по-високи нива на мутагени в урината от тези, които са работили в съоръжения за пречистване на вода.

Той също така служи за демонстриране, че използването на ръкавици намалява концентрацията на мутагени при леярски работници, изложени на полициклични ароматни съединения.

Изследванията за мутагени в урината също са ценен инструмент за антимутагенна оценка, тъй като, например, този тест показа, че прилагането на витамин С инхибира образуването на N-нитрозо съединения.

Той също така показа, че консумацията на зелен чай в продължение на месец намалява концентрацията на мутагени в урината.

Препратки

1. BN Ames, J. McCann, E. Yamasaki (1975). Методи за откриване на канцерогени и мутагени с тест за мутагенност на салмонела / микрозома-бозайник. Мутационни изследвания / мутагенеза в околната среда и свързани теми.
2. B. Arriaga-Alba, R. Montero-Montoya, JJ Espinosa (2012). Тестът на Еймс през двадесет и първи век. Изследвания и рецензии: сп. Токсикология.
3. Аукстрофия. В Уикипедия. Възстановено от
4. С. Бенер (2001). Енциклопедия на генетиката. Академична преса.
5. F. Fröhlich, R. Christiano, TC Walther (2013). Native SILAC: Метаболично маркиране на протеини в прототрофни микроорганизми на базата на регулиране на синтеза на лизин. Молекулярна и клетъчна протеомика.
6. М. Мюлдер, Ф. Капуано, П. Пир, С. Кристен, У. Зауер, С. Г. Оливър, М. Ралсер (2012). Мутантна колекция от прототрофни делеции за метаболомиката на дрождите и системната биология. Природна биотехнология.