KAS IR PROTOTROFS UN KĀDI IR TĀ PIELIETOJUMI? - BIOLOĢIJA - 2025

Par prototrofus ir organismi vai šūnas, kas spēj ražot aminoskābes, kas nepieciešama to dzīvības procesiem. Šis termins parasti tiek izmantots attiecībā uz konkrētu vielu. Tas ir pretējs apzīmējumam auksotrofs.

Šis pēdējais termins tiek izmantots, lai definētu mikroorganismu, kas spēj augt un vairoties barotnē tikai tad, ja tam ir pievienota īpaša barības viela. Prototrofa gadījumā tas var attīstīties bez minētās vielas, jo tas pats spēj to radīt.

Vienkāršs auksotrofa un prototrofa salīdzinājums. Uzņemts un rediģēts no: Akardoust, no Wikimedia Commons.

Organismu vai celmu, piemēram, kurš nespēj augt, ja nav lizīna, sauktu par auksotrofisko lizīnu. Savukārt prototrofā lizīna celma augs un reproducēsies neatkarīgi no lizīna klātbūtnes vai neesamības barotnē.

Būtībā auksotrofs celms ir zaudējis funkcionālu metabolisma ceļu, kas ļāva tam sintezēt pamatvielu, kas ir būtiska dzīvībai svarīgos procesos.

Šis trūkums parasti rodas mutācijas dēļ. Mutācija rada nulles alēli, kurai nav bioloģiskās spējas radīt vielu, kas atrodas prototrofā.

Lietojumprogrammas

Bioķīmija

Auksotrofiskos ģenētiskos marķierus bieži izmanto molekulārajā ģenētikā. Katrā gēnā ir informācija, kas kodē olbaltumvielu. To parādīja pētnieki Džordžs Beadle un Edvards Tatums savā darbā, kas viņiem nopelnīja Nobela prēmiju.

Šī gēnu specifika ļauj kartēt biosintētiskos vai bioķīmiskos ceļus. Gēna mutācija noved pie olbaltumvielu mutācijas. Tādā veidā pētāmo baktēriju auksotrofiskajos celmos var noteikt, kuri enzīmi ir disfunkcionāli mutāciju dēļ.

Vēl viena metode biosintētisko ceļu noteikšanai ir īpašu aminoskābju auksotrofisko celmu izmantošana. Šajos gadījumos celmu vajadzība pēc šādām aminoskābēm tiek izmantota, lai barotnē pievienotu olbaltumvielu nedabiskos aminoskābju analogus.

Piemēram, fenilalanīna aizstāšana ar para-azido-fenilalanīnu Escherichia coli celmu kultūrās, kas fenotilianīnu ir auksotrofiski.

Auksotrofie marķieri

Gēnu, kas kodē fermentus, kas piedalās metabolisma veidošanās molekulu biosintēzes ceļos, mutācijas tiek izmantotas kā marķieri lielākajā daļā ģenētisko eksperimentu ar raugu.

Uztura deficītu, ko izraisa mutācija (auksotrofija), var kompensēt, piegādājot augšanas barotnē nepieciešamo barības vielu.

Tomēr šādai kompensācijai nav obligāti jābūt kvantitatīvai, jo mutācijas ietekmē dažādus fizioloģiskos parametrus un var darboties sinerģiski.

Tādēļ ir veikti pētījumi, lai iegūtu prototrofiskos celmus ar mērķi novērst auksotrofiskos marķierus un mazināt aizspriedumus fizioloģiskajos un metabolisma pētījumos.

Eimsa tests

Ames testu, ko sauc arī par Salmonella mutagenezes testu, 1970. gados izstrādāja Brūss N. Eimss, lai noteiktu, vai ķīmiska viela ir mutagēns.

Tās pamatā ir reversās vai aizmugurējās mutācijas princips. Tas izmanto vairākus Salmonella typhimurium celmus, kas ir auksotrofiski pret histidīnu.

Ķīmiskās vielas jaudu, kas izraisa mutāciju, mēra, uzklājot to baktērijām uz plāksnes, kurā ir histidīns. Pēc tam baktērijas tiek pārvietotas uz jaunu plāksnīti, kurā trūkst histidīnu.

Ja viela nav mutagēna, baktērijas neuzrāda augšanu jaunajā plāksnē. Citā gadījumā histidīna auksotrofās baktērijas atkal mutēsies uz prototrofiem histidīna celmiem.

Prototrofās baktērijas Salmonella typhimurium kultūra. Uzņemts un rediģēts no: Sun14916, no Wikimedia Commons

Baktēriju augšanas proporcijas salīdzināšana plāksnēs ar un bez apstrādes ļauj noteikt skaitļa savienojuma mutagēno spēku uz baktērijām.

Šī iespējamā mutagēnā iedarbība uz baktērijām norāda uz iespēju izraisīt tādu pašu iedarbību arī citos organismos, ieskaitot cilvēkus.

Tiek uzskatīts, ka savienojums, kas spēj izraisīt baktēriju DNS mutāciju, arī var radīt mutācijas, kas var izraisīt vēzi.

Citas Ames testa programmas

Jaunu celmu attīstība

Lai iegūtu jaunus baktēriju celmus, tika piemērots Ames tests. Piemēram, ir izstrādāti celmi ar nitroreduktāzes deficītu.

Šos celmus izmanto ksenobiotisko metabolisma un DNS atjaunošanas sistēmu izpētei. Tie arī ir bijuši noderīgi, lai novērtētu nitrogrupu metabolisma mehānismus aktīvo mutagēnu iegūšanai, kā arī genotoksisko savienojumu nitrēšanas mehānismus.

Antimutaģenēze

Eimsa tests ir izmantots arī kā līdzeklis dabisko antimutagēnu izpētei un klasificēšanai. Antimutagēni ir savienojumi, kas var samazināt mutagēnus DNS bojājumus, galvenokārt uzlabojot to remonta sistēmas.

Tādā veidā šādi savienojumi ļauj izvairīties no sākotnējiem vēža attīstības posmiem. Kopš astoņdesmito gadu sākuma (20. gadsimts) Ames et al. Ir veikuši pētījumus, lai novērtētu genotoksīna samazinājumu un vēža risku, izmantojot diētu, kas bagāta ar antimutagēniem.

Viņi novēroja, ka populācijām, kurām bija diētas ar augstu antibakteriālo līdzekļu daudzumu, bija mazāks gastroenteriskā vēža attīstības risks.

Eimsa tests tiek plaši izmantots, lai izpētītu dažādus augu ekstraktus, par kuriem zināms, ka tie samazina mutagenitāti. Šie pētījumi arī parādīja, ka augu komponenti ne vienmēr ir droši. Daudziem ēdamiem augiem ir pierādīta genotoksiska iedarbība.

Ir pierādīts, ka Eimsa tests ir noderīgs arī dabiskajā savienojumā, ko bieži izmanto alternatīvajā medicīnā, toksisko vai antimutagēno iedarbību.

Genotoksiskā metabolisma pētījumi

Viens no Eimsa testa trūkumiem bija genotoksisko savienojumu metabolisma aktivācijas trūkums. Tomēr šī problēma ir atrisināta, pievienojot CYP inducētus aknu homogenātus, kas sagatavoti no grauzējiem.

CYP ir hemoproteīns, kas saistīts ar dažādu vielu metabolismu. Šī modifikācija pievienoja jaunas iespējas Ames testam. Piemēram, tika novērtēti dažādi CYP induktori, kas parādīja, ka šos fermentus inducē dažāda veida savienojumi.

Mutagēnu novērtēšana bioloģiskajos šķidrumos

Šajos testos izmanto urīna, plazmas un seruma paraugus. Tie var būt noderīgi, lai novērtētu N-nitrozo savienojumu veidošanos in vivo no aminoskābēm.

Tie var būt noderīgi arī epidemioloģiskos pētījumos par cilvēku populācijām, kuras pakļautas aroda mutagēniem, smēķēšanas ieradumiem un vides piesārņotāju iedarbībai.

Šie testi parādīja, piemēram, ka strādniekiem, kuri pakļauti atkritumu izstrādājumiem, ir augstāks urīna mutagēnu līmenis nekā tiem, kuri strādāja ūdens attīrīšanas iekārtās.

Tas arī kalpoja, lai pierādītu, ka cimdu lietošana samazina mutagēnu koncentrāciju lietuvju strādniekiem, kuri pakļauti policiklisko aromātisko savienojumu iedarbībai.

Urīna mutagēnu pētījumi ir arī vērtīgs līdzeklis antimutagēnā novērtēšanai, jo, piemēram, šis tests parādīja, ka C vitamīna ievadīšana kavē N-nitrozo savienojumu veidošanos.

Tas arī kalpoja, lai parādītu, ka zaļās tējas lietošana mēnesī samazina mutagēnu koncentrāciju urīnā.

Atsauces

1. BN Ames, J. McCann, E. Yamasaki (1975). Kancerogēnu un mutagēnu noteikšanas metodes ar salmonellas / zīdītāju mikrosomu mutagenitātes testu. Mutācijas izpēte / vides mutaģenēze un ar to saistīti subjekti.
2. B. Arriaga-Alba, R. Montero-Montoya, JJ Espinosa (2012). Eimsa tests divdesmit pirmajā gadsimtā. Pētījumi un pārskati: Toksikoloģijas žurnāls.
3. Auksotrofija. Vietnē Wikipedia. Atgūts no https://en.wikipedia.org/wiki/Auxotrophy.
4. S. Benners (2001). Ģenētikas enciklopēdija. Akadēmiskā prese.
5. F. Fröhlich, R. Christiano, TC Walther (2013). Native SILAC: olbaltumvielu metabolisma marķēšana prototrofos mikroorganismos, pamatojoties uz lizīna sintēzes regulēšanu. Molekulārā un šūnu proteomika.
6. M. Mīlenders, F. Kapuano, P. Pir, S. Kristens, U. Sauers, SG Olivers, M. Ralsers (2012). Raugu metabolisma un sistēmu bioloģijas prototrofu deleciju mutantu kolekcija. Dabas biotehnoloģija.