stringtranslate.com

Ауксотрофия

Это визуальное изображение того, какие условия допускают существование ауксотрофа (верхний ряд сред: колонии, ауксотрофные по аргинину) по сравнению с колониями, проявляющими прототрофность (нижний ряд сред).

Ауксотрофия ( др.-греч . αὐξάνω «увеличивать»; τροφή «питание») — неспособность организма синтезировать определенное органическое соединение, необходимое для его роста (согласно определению ИЮПАК ). Ауксотроф — это организм, который проявляет эту характеристику; ауксотрофный — соответствующее прилагательное. Ауксотрофия противоположна прототрофии, которая характеризуется способностью синтезировать все соединения, необходимые для роста.

Прототрофные клетки (также называемые « диким типом ») являются самодостаточными производителями всех необходимых метаболитов (например, аминокислот , липидов , кофакторов ), в то время как ауксотрофам требуется среда с метаболитом, который они не могут производить. [1] Например, утверждение, что клетка является ауксотрофной по метионину, означает, что ей необходимо находиться на среде, содержащей метионин, иначе она не сможет реплицироваться. В этом примере это происходит потому, что она не способна производить свой собственный метионин (ауксотроф по метионину). Однако прототрофная или прототрофная по метионину клетка сможет функционировать и реплицироваться на среде с метионином или без него. [2]

Метод репликации — это метод, при котором колонии переносят с одной чашки на другую в то же место, что и предыдущая чашка, чтобы можно было сравнивать чашки с разными средами бок о бок. Он используется для сравнения роста одних и тех же колоний на разных чашках со средами, чтобы определить, в каких средах может или не может расти бактериальная колония (это дает представление о возможных ауксотрофных характеристиках). Метод репликации, реализованный Джошуа Ледербергом и Эстер Ледерберг, включал ауксотрофы, которые были чувствительны к температуре; то есть их способность к синтезу зависела от температуры. [3] (Ауксотрофы обычно не зависят от температуры. Они также могут зависеть от других факторов.) Также возможно, что организм является ауксотрофным по отношению к более чем одному органическому соединению, которое ему требуется для роста. [4]

Приложения

Генетика

Колонии A, B, C и D, высеянные на различные среды для проверки ауксотрофности и биосинтетического пути (см. рис. 2B и 2C)

В генетике штамм считается ауксотрофным, если он несет мутацию , которая делает его неспособным синтезировать необходимое соединение. Например, мутант дрожжей с инактивированным геном пути синтеза урацила является ауксотрофом урацила (например, если ген оротидин-5'-фосфатдекарбоксилазы дрожжей инактивирован, полученный штамм является ауксотрофом урацила). Такой штамм не способен синтезировать урацил и сможет расти только в том случае, если урацил будет захвачен из окружающей среды. Это противоположно прототрофу урацила или, в данном случае, штамму дикого типа , который все еще может расти в отсутствие урацила. Ауксотрофные генетические маркеры часто используются в молекулярной генетике ; они были широко использованы в удостоенной Нобелевской премии работе Бидла и Татума по гипотезе «один ген — один фермент» , связывающей мутации генов с мутациями белков. Это затем позволяет проводить картирование биосинтетических или биохимических путей, что может помочь определить, какой фермент или ферменты мутировали и стали дисфункциональными в ауксотрофных штаммах изучаемых бактерий. [2]

Исследователи использовали штаммы E. coli , ауксотрофные по определенным аминокислотам, для введения аналогов неприродных аминокислот в белки . Например, клетки, ауксотрофные по аминокислоте фенилаланину, можно выращивать в среде, дополненной аналогом, таким как пара-азидофенилаланин.

Многие живые существа, включая людей, являются ауксотрофными по отношению к большим классам соединений, необходимых для роста, и должны получать эти соединения с пищей (см. витамины , незаменимые питательные вещества , незаменимые аминокислоты , незаменимые жирные кислоты ).

Сложная картина эволюции витаминной ауксотрофии на эукариотическом древе жизни тесно связана с взаимозависимостью между организмами. [5]

Рисунок 2B Биосинтетический (биохимический) путь, например, на рисунке 2A

Тест на мутагенность (или тест Эймса)

Рис. 2C Таблица, обобщающая и связывающая информацию из примеров на рис. 2A и 2B.

Тест на мутагенез сальмонелл ( тест Эймса ) использует несколько штаммов Salmonella typhimurium , которые являются ауксотрофными по отношению к гистидину, чтобы проверить, может ли данное химическое вещество вызывать мутации , наблюдая его ауксотрофные свойства в ответ на добавленное химическое соединение. [6] Мутация, вызываемая химическим веществом или соединением, измеряется путем нанесения его на бактерии на чашке, содержащей гистидин, а затем перемещения бактерий на новую чашку без достаточного количества гистидина для непрерывного роста. Если вещество не мутирует геном бактерий из ауксотрофного в гистидин обратно в прототрофный по отношению к гистидину, то бактерии не будут демонстрировать рост на новой чашке. Таким образом, сравнивая соотношение бактерий на новой чашке со старой чашкой и то же соотношение для контрольной группы, можно количественно определить, насколько мутагенным является вещество или, скорее, насколько вероятно, что оно вызовет мутации в ДНК. [7] Химическое вещество считается положительным для теста Эймса, если оно вызывает мутации, увеличивающие наблюдаемую скорость реверсии, и отрицательным, если оно похоже на контрольную группу. Существует нормальное, но небольшое количество колоний ревертантов, ожидаемых, когда ауксотрофная бактерия помещается на среду без необходимого ей метаболита, поскольку она может мутировать обратно в прототрофию. Вероятность этого мала, и поэтому образуются очень маленькие колонии. Однако, если добавляется мутагенное вещество, количество ревертантов будет заметно выше, чем без мутагенного вещества. Тест Эймса, в основном, считается положительным, если вещество увеличивает вероятность мутации в ДНК бактерий достаточно, чтобы вызвать количественно определяемую разницу в ревертантах пластины с мутагеном и пластины контрольной группы. Отрицательный тест Эймса означает, что возможный мутаген DID не вызывает увеличения ревертантов, а положительный тест Эймса означает, что возможный мутаген DID увеличивает вероятность мутации. Эти мутагенные эффекты на бактерии исследуются как возможный индикатор тех же эффектов на более крупные организмы, такие как люди. Предполагается, что если мутация может возникнуть в бактериальной ДНК под действием мутагена, то тот же эффект будет иметь место для более крупных организмов, вызывающих рак. [6] Отрицательный результат теста Эймса может означать, что вещество не является мутагеном и не вызовет образование опухолей у живых организмов. Однако только несколько из положительных результатов теста Эймса были признаны незначительными при тестировании на более крупных организмах, но положительный тест Эймса для бактерий все еще не может быть окончательно связан с проявлением рака у более крупных организмов. Хотя это может быть возможным фактором, определяющим возникновение опухолей у живых организмов, людей, животных и т. д., необходимо провести больше исследований, чтобы прийти к выводу. [8]

Методы, основанные на ауксотрофии, для включения неприродных аминокислот в белки и протеомы

Большое количество неприродных аминокислот, которые похожи на своих канонических аналогов по форме, размеру и химическим свойствам, вводятся в рекомбинантные белки с помощью ауксотрофных хозяев экспрессии. [9] Например, ауксотрофные штаммы Escherichia coli по метионину (Met) или триптофану (Trp) можно культивировать в определенной минимальной среде. В этой экспериментальной установке можно экспрессировать рекомбинантные белки, канонические остатки Trp и Met которых полностью замещены различными родственными аналогами, дополненными средой. [10] Эта методология приводит к новой форме белковой инженерии, которая выполняется не путем манипуляции кодонами на уровне ДНК (например, олигонуклеотид-направленный мутагенез), а путем переназначения кодонов на уровне трансляции белка под эффективным селективным давлением. [11] Поэтому этот метод называется селективным включением давления (SPI). [12]

Ни один из изученных до сих пор организмов не кодирует другие аминокислоты, кроме канонических двадцати; две дополнительные канонические аминокислоты ( селеноцистеин , пирролизин ) вставляются в белки путем перекодирования сигналов терминации трансляции. Эту границу можно преодолеть с помощью адаптивной лабораторной эволюции метаболически стабильных ауксотрофных штаммов микроорганизмов. Например, первая явно успешная попытка развить Escherichia coli , способную выживать исключительно на неестественной аминокислоте тиено[3,2-b]пирролил) аланин в качестве единственной замены триптофана, была предпринята в 2015 году. [13]

В популярной культуре

В фильме 1993 года « Парк Юрского периода» (основанном на одноименном романе Майкла Крайтона 1990 года ) показаны динозавры , которые были генетически изменены таким образом, что они не могли вырабатывать аминокислоту лизин . [14] Это было известно как «лизиновая непредвиденная ситуация» и должно было помешать клонированным динозаврам выжить за пределами парка, заставив их зависеть от добавок лизина, предоставляемых ветеринарным персоналом парка. На самом деле ни одно животное не способно вырабатывать лизин (это незаменимая аминокислота ). [15]

Смотрите также

Сноски

  1. ^ Генетика: от генов к геномам . Хартвелл, Леланд. (4-е изд.). Нью-Йорк: McGraw-Hill. 2011. ISBN 9780073525266. OCLC  317623365.{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
  2. ^ ab LaRossa, RA (2001). «Пищевые мутации». Энциклопедия генетики . стр. 1362–1363. doi :10.1006/rwgn.2001.0920. ISBN 9780122270802.
  3. ^ Ледерберг, Джошуа; Ледерберг, Эстер М. (март 1952 г.). «Плоттинг реплик и косвенный отбор бактериальных мутантов». Журнал бактериологии . 63 (3): 399–406. doi :10.1128/JB.63.3.399-406.1952. ISSN  0021-9193. PMC 169282. PMID 14927572  . 
  4. ^ Гриффитс, Энтони Дж. Ф.; Миллер, Джеффри Х.; Сузуки, Дэвид Т.; Левонтин, Ричард К.; Гелбарт, Уильям М. (2000). «Типы мутантов». {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  5. ^ Хелливелл, Кэтрин Э. и др. (2013). «Широко распространенный распад витамин-связанных путей: совпадение или следствие?». Тенденции в генетике . 29 (8): 469–478. doi :10.1016/j.tig.2013.03.003. PMID  23623319.
  6. ^ ab Ahern, Kevin (2017). Биохимия бесплатно для всех . DavinciPress.
  7. ^ Эймс, Брюс Н.; Макканн, Джойс; Ямасаки, Эдит (1975). «Методы обнаружения канцерогенов и мутагенов с помощью теста на мутагенность сальмонелл/микросом млекопитающих». Mutation Research/Environmental Mutagenesis and Related Subjects . 31 (6): 347–363. doi :10.1016/0165-1161(75)90046-1. PMID  768755.
  8. ^ Kirkland, David; Zeiger, Errol; Madia, Federica; Gooderham, Nigel; Kasper, Peter; Lynch, Anthony; Morita, Takeshi; Ouedraogo, Gladys; Morte, Juan Manuel Parra (2014). «Могут ли результаты теста генотоксичности клеток млекопитающих in vitro использоваться для дополнения положительных результатов теста Эймса и помощи в прогнозировании канцерогенной или генотоксической активности in vivo? I. Отчеты отдельных баз данных, представленные на семинаре EURL ECVAM». Mutation Research/Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis . 775–776: 55–68. doi : 10.1016/j.mrgentox.2014.10.005 . hdl : 10044/1/19252 . PMID  25435356.
  9. ^ Линк, Джеймс; Мок, Марисса; Тиррелл, Дэвид (2003). «Неканонические аминокислоты в белковой инженерии». Curr. Opin. Biotechnol . 14 (6): 603–609. doi :10.1016/j.copbio.2003.10.011. PMID  14662389.
  10. ^ Будиса, Недилько; Пал, Прайна Парамита (1 июня 2005 г.). «Разработка новых спектральных классов белков с генетическим кодом, расширенным триптофаном». Biol. Chem . 385 (10): 893–904. doi :10.1515/BC.2004.117. PMID  15551863. S2CID  42436705.
  11. ^ Будиса, Недилько; Минкс, Каролина; Алефельдер, Стефан; Венгер, Вальтрауд; Донг, Фумин; Мородер, Луис; Хубер, Хубер (1 января 1999 г.). «К экспериментальному переназначению кодонов in vivo: построение белка с расширенным аминокислотным репертуаром». FASEB J . 13 (1): 41–51. doi : 10.1096/fasebj.13.1.41 . PMID  9872928. S2CID  2887572.
  12. ^ Минкс, Каролина; Алефельдер, Стефан; Мородер, Луис; Хубер, Роберт; Будиса, Недилько (2000). «На пути к новой белковой инженерии: построение и сворачивание белковых челноков in vivo для доставки лекарств и нацеливания методом селективного включения под давлением (SPI)». Тетраэдр . 56 (48): 9431–9442. doi :10.1016/S0040-4020(00)00827-9.
  13. ^ Hoesl, MG; Oehm, S.; Durkin, P.; Darmon, E.; Peil, L.; Aerni, H.-R.; Rappsilber, J. ; Rinehart, J.; Leach, D.; Söll, D.; Budisa, N. (2015). "Химическая эволюция бактериального протеома". Angewandte Chemie International Edition . 54 (34): 10030–10034. doi :10.1002/anie.201502868. PMC 4782924 . PMID  26136259. 
  14. ^ Coyne JA (10 октября 1999 г.). «Истина где-то там». The New York Times . Получено 06.04.2008 .
  15. ^ Wu G (май 2009). «Аминокислоты: метаболизм, функции и питание». Аминокислоты . 37 (1): 1–17. doi :10.1007/s00726-009-0269-0. PMID  19301095. S2CID  1870305.

Внешние ссылки