Ауксотрофия - Auxotrophy

Это визуальное изображение того, какие условия допускают наличие ауксотрофа (верхний ряд сред: колонии, ауксотрофные по аргинину) по сравнению с колониями, которые проявляют прототрофию (нижний ряд сред).

Ауксотрофия (Древнегреческий: αὐξάνω "увеличить"; τροφή "питание") - это неспособность организма синтезировать определенное органическое соединение требуется для его роста (как определено ИЮПАК ). Ауксотроф - это организм, который проявляет это свойство; ауксотрофный соответствующее прилагательное. Ауксотрофия - это противоположность прототрофии, которая характеризуется способностью синтезировать все соединения, необходимые для роста.

Прототрофные клетки (также называемые 'дикого типа ') являются самодостаточными производителями всех необходимых метаболитов (например, аминокислоты, липиды, кофакторы ), в то время как ауксотрофы должны находиться в среде с метаболитом, который они не могут производить.[1] Например, говоря, что ячейка метионин ауксотрофный означает, что он должен находиться в среде, содержащей метионин, иначе он не сможет реплицироваться. В этом примере это связано с тем, что он не может производить собственный метионин (метиониновый ауксотроф). Однако прототроф или прототрофная метиониновая клетка будут способны функционировать и реплицироваться в среде с метионином или без него.[2]

Посев на реплики - это метод, при котором колонии переносятся с одного планшета на другой в том же месте, что и последний планшет, чтобы можно было сравнивать разные планшеты со средой бок о бок. Он используется для сравнения роста одних и тех же колоний на разных чашках со средой, чтобы определить, в каких средах может или не может расти бактериальная колония (это дает представление о возможных ауксотрофных характеристиках. покрытие реплики реализовано Джошуа Ледерберг и Эстер Ледерберг включены ауксотрофы, чувствительные 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 ауксотрофен более чем по одному органическому соединению, необходимому для роста.[4]

Приложения

Генетика

Колонии A, B, C и D высевают на разные среды для проверки ауксотрофности и пути биосинтеза (см. Рис. 2B и 2C).

В генетика, а напряжение называется ауксотрофным, если он несет мутация что делает его неспособным синтезировать необходимое соединение. Например, дрожжи мутант с инактивированным урацил ген пути синтеза является ауксотрофом урацила (например, если дрожжевой Оротидин 5'-фосфатдекарбоксилаза ген инактивирован, полученный штамм является ауксотрофом урацила). Такой штамм не может синтезировать урацил и сможет расти только в том случае, если урацил может быть поглощен из окружающей среды. Это противоположность прототрофу урацила, или в данном случае дикого типа штамм, который все еще может расти в отсутствие урацила. Ауксотрофные генетические маркеры часто используются в молекулярная генетика; они широко использовались в Бидл и Татум с Нобелевская премия -победитель работы над гипотеза один ген - один фермент, связывающий мутации генов с мутациями белков. Затем это позволяет составить карту биосинтетических или биохимических путей, что может помочь определить, какой фермент или ферменты мутированы и дисфункциональны в ауксотрофных штаммах изучаемых бактерий.[2]

Исследователи использовали штаммы Кишечная палочка ауксотрофный по определенным аминокислотам для введения аналогов неприродных аминокислот в белки. Например, клетки, ауксотрофные по аминокислоте фенилаланину, можно выращивать в среде с добавлением аналога, такого как пара-азидо фенилаланин.

Многие живые существа, включая человека, являются ауксотрофными по отношению к большим классам соединений, необходимых для роста, и должны получать эти соединения с пищей (см. витамин, необходимое питательное вещество, незаменимая аминокислота, незаменимая жирная кислота ).

Сложная картина эволюции ауксотрофии витаминов в эукариотический Древо жизни тесно связано с взаимозависимостью организмов.[5]

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

Тест на мутагенность (или тест Эймса)

Фиг. 2C. Таблица, обобщающая и относящаяся к информации из примеров на фиг. 2A и 2B.

Тест на мутагенез сальмонелл (Тест Эймса ) использует несколько штаммов Сальмонелла тифимуриум которые ауксотрофны гистидин 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 его нанесения на бактерии на чашке, содержащей гистидин, а затем путем перемещения бактерий на новую чашку без достаточного количества гистидина для непрерывного роста. Если вещество не изменяет геном бактерий с ауксотрофного на гистидин обратно на прототрофный на гистидин, тогда бактерии не будут расти на новой пластине. Таким образом, сравнивая соотношение бактерий на новой чашке и старой чашке и такое же соотношение для контрольной группы, можно количественно оценить, 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 аналогично контрольной группе. Ожидается нормальное, но небольшое количество ревертантных колоний, когда ауксотрофные бактерии высевают на среду без необходимого метаболита, поскольку они могут снова мутировать в прототрофию. Шансы на это невелики, и поэтому образуются очень маленькие колонии. Однако при добавлении мутагенного вещества количество ревертантов будет заметно выше, чем без мутагенного вещества. Тест Эймса, в основном, считается положительным, если вещество увеличивает вероятность мутации в ДНК бактерий настолько, чтобы вызвать количественную разницу в ревертантах на пластине мутагена и пластине 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 того же воздействия на более крупные организмы, такие как люди. Предполагается, что если в бактериальной ДНК может возникнуть мутация в присутствии мутагена, то такой же эффект будет иметь место для более крупных организмов, вызывающих рак.[6] Отрицательный результат теста Эймса может свидетельствовать о том, что это вещество не является мутагеном и не вызывает опухолевого образования в живых организмах. Однако только несколько из положительных химических веществ, полученных в результате теста Эймса, были признаны незначительными при тестировании на более крупных организмах, но положительный результат теста Эймса на бактерии все еще не мог быть окончательно связан с проявлением рака у более крупных организмов. Хотя это может быть одним из возможных факторов, определяющих опухоли у живых организмов, людей, животных и т. Д., Необходимо провести дополнительные исследования, чтобы сделать вывод.[8]

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

Большое количество неприродных аминокислот, которые подобны своим каноническим аналогам по форме, размеру и химическим свойствам, вводятся в рекомбинантные белки посредством ауксотрофных экспрессирующих хозяев.[9] Например, метионин (Met) или триптофан (Trp) ауксотрофный кишечная палочка штаммы 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 с добавлением среды.[10] Эта методология ведет к новой форме белковой инженерии, которая выполняется не путем манипулирования 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 организмов не кодирует другие аминокислоты, кроме канонической двадцати; две дополнительные канонические аминокислоты (селеноцистеин, пирролизин) вставляются в белки путем перекодирования сигналов терминации трансляции. Эту границу может пересечь адаптивная лабораторная эволюция метаболически стабильных ауксотрофных штаммов микробов. Например, первая явно успешная попытка развиваться кишечная палочка который может выжить только на неприродной аминокислоте тиено [3,2-b] пирролил) аланине, поскольку единственный заменитель триптофана был создан в 2015 году.[13]

В популярной культуре

Фильм 1993 года парк Юрского периода (на основе 1990 г. Майкл Крайтон Роман с таким же названием ) Особенности динозавры это были генетически измененный чтобы они не могли производить аминокислоту лизин.[14] Это было известно как «непредвиденный случай лизина» и должно было предотвратить клонированный динозавров от выживания за пределами парка, заставляя их зависеть от добавок лизина, предоставляемых ветеринарным персоналом парка. На самом деле, никакие животные не способны продуцировать лизин (это незаменимая аминокислота ).[15]

Смотрите также

Сноски

  1. ^ Генетика: от генов к геномам. Хартвелл, Лиланд. (4-е изд.). Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. 2011 г. ISBN  9780073525266. OCLC  317623365.CS1 maint: другие (связь)
  2. ^ а б ЛаРосса, Р.А. (2001). «Пищевые мутации». Энциклопедия генетики. С. 1362–1363. Дои:10.1006 / rwgn.2001.0920. ISBN  9780122270802.
  3. ^ Ледерберг, Джошуа; Ледерберг, Эстер М. (март 1952 г.). «Посев на реплики и непрямой отбор бактериальных мутантов». Журнал бактериологии. 63 (3): 399–406. Дои:10.1128 / JB.63.3.399-406.1952. ISSN  0021-9193. ЧВК  169282. PMID  14927572.
  4. ^ Гриффитс, Энтони Дж. Ф.; Миллер, Джеффри Х .; Судзуки, Дэвид Т .; Левонтин, Ричард С .; Гелбарт, Уильям М. (2000). «Мутантные типы». Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  5. ^ Хелливелл, Кэтрин Е .; и другие. (2013). «Распространенный распад витаминно-зависимых путей: совпадение или следствие?». Тенденции в генетике. 29 (8): 469–478. Дои:10.1016 / j.tig.2013.03.003. PMID  23623319.
  6. ^ а б Ахерн, Кевин (2017). Биохимия бесплатно для всех. DavinciPress.
  7. ^ Эймс, Брюс Н .; Макканн, Джойс; Ямасаки, Эдит (1975). «Методы выявления канцерогенов и мутагенов с помощью теста на мутагенность сальмонелл / микросом млекопитающих». Мутационные исследования / Мутагенез в окружающей среде и связанные предметы. 31 (6): 347–363. Дои:10.1016/0165-1161(75)90046-1. PMID  768755.
  8. ^ Киркланд, Дэвид; Зейгер, Эррол; Мадиа, Федерика; Гудерхэм, Найджел; Каспер, Питер; Линч, Энтони; Морита, Такеши; Уэдраого, Глэдис; Морте, Хуан Мануэль Парра (2014). «Могут ли результаты тестов на генотоксичность клеток млекопитающих in vitro использоваться для дополнения положительных результатов теста Эймса и для прогнозирования канцерогенной или генотоксической активности in vivo? I. Отчеты отдельных баз данных, представленные на семинаре EURL ECVAM». Мутационные исследования / Генетическая токсикология и мутагенез в окружающей среде. 775–776: 55–68. Дои:10.1016 / j.mrgentox.2014.10.005. PMID  25435356.
  9. ^ Линк, Джеймс; Мок, Марисса; Тиррелл, Дэвид (2003). «Неканонические аминокислоты в белковой инженерии». Curr. Соч. Биотехнология. 14 (6): 603–609. Дои:10.1016 / j.copbio.2003.10.011. PMID  14662389.
  10. ^ Будиса, Недилько; Пал, Праджня Парамита (1 июня 2005 г.). «Разработка новых спектральных классов белков с расширенным триптофаном генетическим кодом». Биол. Chem. 385 (10): 893–904. Дои:10.1515 / BC.2004.117. PMID  15551863. S2CID  42436705.
  11. ^ Будиса, Недилько; Норкс, Кэролайн; Алефельдер, Стефан; Венгер, Вальтрауд; Донг, Фумин; Мородер, Луис; Хубер, Хубер (1 января 1999 г.). «К экспериментальному перераспределению кодонов in vivo: построение белка с расширенным репертуаром аминокислот». FASEB J. 13 (1): 41–51. Дои:10.1096 / fasebj.13.1.41. PMID  9872928. S2CID  2887572.
  12. ^ Норкс, Кэролайн; Алефельдер, Стефан; Мородер, Луис; Хубер, Роберт; Будиса, Недилько (2000). «На пути к новой протеиновой инженерии: создание и складывание белковых челноков in vivo для доставки и нацеливания лекарств методом селективного включения под давлением (SPI)». Тетраэдр. 56 (48): 9431–9442. Дои:10.1016 / S0040-4020 (00) 00827-9.
  13. ^ Hoesl, M. G .; Oehm, S .; Durkin, P .; Darmon, E .; Peil, L .; Aerni, H.-R .; Rappsilber, J .; Rinehart, J .; Leach, D .; Söll, D .; Будиса, Н. (2015). «Химическая эволюция бактериального протеома». Angewandte Chemie International Edition. 54 (34): 10030–10034. Дои:10.1002 / anie.201502868. ЧВК  4782924. PMID  26136259.
  14. ^ Койн Дж. А. (10 октября 1999 г.). "Истина не там". Нью-Йорк Таймс. Получено 2008-04-06.
  15. ^ Ву Джи (май 2009 г.). «Аминокислоты: обмен веществ, функции и питание». Аминокислоты. 37 (1): 1–17. Дои:10.1007 / s00726-009-0269-0. PMID  19301095. S2CID  1870305.

внешняя ссылка