Ауксотрофия
Ауксотрофия ( древнегреческий : αὐξάνω «увеличивать»; τροφή «питание») — это неспособность организма синтезировать определенное органическое соединение, необходимое для его роста (по определению ИЮПАК ). Ауксотроф — это организм, обладающий этой характеристикой; ауксотрофный — соответствующее прилагательное. Ауксотрофия – это противоположность 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 ), тогда как ауксотрофам необходимо находиться в среде с метаболитами, которые они не могут производить. [1] Например, утверждение, что клетка является ауксотрофной по метионину, означает, что ей необходимо находиться в среде, содержащей метионин, иначе она не сможет размножаться. В данном примере это связано с тем, что он не может производить собственный метионин (ауксотроф метионина). Однако прототрофная или метиониновая прототрофная клетка будет способна функционировать и реплицироваться на среде с метионином или без него. [2]
Посев на реплику — это метод, при котором колонии переносятся с одной чашки на другую в том же месте, что и последняя чашка, что позволяет сравнивать разные чашки со средой. Он используется для сравнения роста одних и тех же колоний на разных чашках со средой, чтобы определить, в каких средах бактериальная колония может или не может расти (это дает представление о возможных ауксотрофных характеристиках. Метод посева реплик, реализованный Джошуа Ледербергом и Эстер Ледерберг, включал 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, которое ему необходимо для роста. [4]
Приложения
[ редактировать ]Генетика
[ редактировать ]
В генетике штамм мутацию называется ауксотрофным, если он несет , которая делает его неспособным синтезировать необходимое соединение. Например, дрожжевой мутант с инактивированным геном пути синтеза урацила является урациловым ауксотрофом (например, если дрожжевой ген оротидин-5'-фосфатдекарбоксилазы инактивирован, полученный штамм является урациловым ауксотрофом). Такой штамм не способен синтезировать урацил и сможет расти только в том случае, если урацил может быть получен из окружающей среды. Это противоположность 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 широко использовались в Бидла и Татума получившей Нобелевскую премию работе по гипотезе «один ген — один фермент» , связывающей 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 изучаемых ауксотрофных штаммах бактерий. [2]
Исследователи использовали штаммы E. coli, ауксотрофные по определенным аминокислотам, для введения неприродных аналогов аминокислот в белки . Например, клетки, ауксотрофные по аминокислоте фенилаланину, можно выращивать в среде, дополненной таким аналогом, как параазидофенилаланин.
Многие живые существа, включая человека, являются ауксотрофами по большим классам соединений, необходимых для роста, и должны получать эти соединения с пищей (см. витамин , незаменимое питательное вещество , незаменимая аминокислота , незаменимая жирная кислота ).
Сложная картина эволюции витаминной ауксотрофии на древе жизни эукариот тесно связана с взаимозависимостью между организмами. [5]
Тест на мутагенность (или тест Эймса)
[ редактировать ]
В тесте на мутагенез сальмонелл ( тест Эймса ) используются 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] Мутацию, вызываемую химическим веществом или соединением, измеряют 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 к гистидину обратно в прототрофный к гистидину, то бактерии не будут показывать рост на новой пластинке. Таким образом, сравнивая соотношение бактерий на новой чашке со старой чашкой и такое же соотношение в контрольной группе, можно количественно оценить, насколько мутагенным является вещество, или, скорее, насколько вероятно, что оно вызовет мутации в ДНК. [7] Химическое вещество считается положительным по тесту 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 высеиваются на среду без необходимого им метаболита, поскольку они могут мутировать обратно в прототрофию. Вероятность этого невелика и поэтому приводит к образованию очень маленьких колоний. Однако если добавить мутагенное вещество, количество ревертантов будет заметно выше, чем без мутагенного вещества. Тест Эймса, по сути, считается положительным, если вещество увеличивает вероятность мутации в ДНК бактерий настолько, что вызывает измеримую разницу в ревертантах мутагенной пластинки и пластинки контрольной группы. Отрицательный тест Эймса означает, что возможный мутаген НЕ вызвал увеличения количества ревертантов, а положительный тест Эймса означает, что возможный мутаген ДЕЙСТВИТЕЛЬНО 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 в бактериальной ДНК в присутствии мутагена может возникнуть мутация, то тот же эффект будет наблюдаться и у более крупных организмов, вызывающих рак. [6] Отрицательный результат теста Эймса может свидетельствовать о том, что вещество не является мутагеном и не вызывает образования опухолей в живых организмах. Однако лишь немногие из положительных химических веществ, полученных в результате теста Эймса, считались незначительными при тестировании на более крупных организмах, но положительный результат теста Эймса на бактерии все еще не мог быть окончательно связан с проявлением рака в более крупных организмах. Хотя это может быть возможным фактором, определяющим опухоли живых организмов, людей, животных и т. д., необходимо провести дополнительные исследования, чтобы прийти к такому выводу. [8]
Методы, основанные на ауксотрофии, для включения неприродных аминокислот в белки и протеомы.
[ редактировать ]Большое количество неприродных аминокислот, сходных со своими каноническими аналогами по форме, размеру и химическим свойствам, вводится в рекомбинантные белки посредством ауксотрофных экспрессирующих хозяев. [9] Например, ауксотрофные по метионину (Met) или триптофану (Trp) штаммы Escherichia coli можно культивировать в определенной минимальной среде. В этой экспериментальной установке можно экспрессировать рекомбинантные белки, канонические остатки Trp и Met полностью заменены различными родственными аналогами с добавлением среды. [10] Эта методология ведет к новой форме белковой инженерии, которая осуществляется не путем манипулирования кодонами на уровне ДНК (например, мутагенез, направленный на олигонуклеотиды), а путем переназначения кодонов на уровне трансляции белка под эффективным селективным давлением. [11] Поэтому этот метод называется селективным введением под давлением (SPI). [12]
Ни один изученный на данный момент организм не кодирует другие аминокислоты, кроме канонических двадцати; две дополнительные канонические аминокислоты ( селеноцистеин , пирролизин ) встраиваются в белки путем кодирования сигналов терминации трансляции. Эту границу можно преодолеть путем адаптивной лабораторной эволюции метаболически стабильных ауксотрофных штаммов микробов. Например, первая явно успешная попытка создать Escherichia coli , способную выжить исключительно за счет неприродной аминокислоты тиено[3,2-b]пирролил)аланина в качестве единственного заменителя триптофана, была предпринята в 2015 году. [13]
В популярной культуре
[ редактировать ]В фильме 1993 года « Парк Юрского периода» (основанном на Майкла Крайтона романе одноименном 1990 года ) показаны динозавры , которые были генетически изменены так, что они не могли производить аминокислоту лизин . [14] Это было известно как «непредвиденный случай лизина» и должно было помешать клонированным динозаврам выжить за пределами парка, заставляя их зависеть от добавок лизина, предоставляемых ветеринарным персоналом парка. На самом деле ни одно животное не способно вырабатывать лизин (это незаменимая аминокислота ). [15]
См. также
[ редактировать ]Сноски
[ редактировать ]- ^ Генетика: от генов к геномам . Хартвелл, Лиланд. (4-е изд.). Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. 2011. ISBN 9780073525266 . OCLC 317623365 .
{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б ЛаРосса, РА (2001). «Пищевые мутации». Энциклопедия генетики . стр. 1362–1363. дои : 10.1006/rwgn.2001.0920 . ISBN 9780122270802 .
- ^ Ледерберг, Джошуа; Ледерберг, Эстер М. (март 1952 г.). «Репликация и непрямой отбор бактериальных мутантов» . Журнал бактериологии . 63 (3): 399–406. дои : 10.1128/JB.63.3.399-406.1952 . ISSN 0021-9193 . ПМК 169282 . ПМИД 14927572 .
- ^ Гриффитс, Энтони Дж. Ф.; Миллер, Джеффри Х.; Сузуки, Дэвид Т.; Левонтин, Ричард С.; Гелбарт, Уильям М. (2000). «Типы-мутанты» .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Хелливелл, Кэтрин Э.; и др. (2013). «Широко распространенный распад витаминных путей: совпадение или следствие?» . Тенденции в генетике . 29 (8): 469–478. дои : 10.1016/j.tig.2013.03.003 . ПМИД 23623319 .
- ^ Jump up to: а б Ахерн, Кевин (2017). Биохимия бесплатно для всех . ДавинчиПресс.
- ^ Эймс, Брюс Н.; Макканн, Джойс; Ямасаки, Эдит (1975). «Методы обнаружения канцерогенов и мутагенов с помощью теста на мутагенность сальмонеллы/микросом млекопитающих». Мутационные исследования/экологический мутагенез и смежные темы . 31 (6): 347–363. дои : 10.1016/0165-1161(75)90046-1 . ПМИД 768755 .
- ^ Киркланд, Дэвид; Зейгер, Эррол; Мадия, Федерика; Гудерхэм, Найджел; Каспер, Питер; Линч, Энтони; Морита, Такеши; Уэдраого, Глэдис; Морте, Хуан Мануэль Парра (2014). «Могут ли результаты испытаний на генотоксичность клеток млекопитающих in vitro использоваться в дополнение к положительным результатам теста Эймса и помочь предсказать канцерогенную или генотоксическую активность in vivo? I. Отчеты отдельных баз данных, представленные на семинаре EURL ECVAM» . Исследования мутаций/Генетическая токсикология и экологический мутагенез . 775–776: 55–68. дои : 10.1016/j.mrgentox.2014.10.005 . hdl : 10044/1/19252 . ПМИД 25435356 .
- ^ Линк, Джеймс; Мок, Марисса; Тиррелл, Дэвид (2003). «Неканонические аминокислоты в белковой инженерии». Курс. Мнение. Биотехнология . 14 (6): 603–609. дои : 10.1016/j.copbio.2003.10.011 . ПМИД 14662389 .
- ^ Будиса, Недилько; Пал, Праджня Парамита (1 июня 2005 г.). «Разработка новых спектральных классов белков с расширенным триптофаном генетическим кодом». Биол. Хим . 385 (10): 893–904. дои : 10.1515/BC.2004.117 . ПМИД 15551863 . S2CID 42436705 .
- ^ Будиса, Недилько; Минкс, Кэролайн; Алефельдер, Стефан; Венгер, Вальтрауд; Донг, Фумин; Мородер, Луис; Хубер, Хубер (1 января 1999 г.). «На пути к экспериментальному переназначению кодонов in vivo: построение белка с расширенным набором аминокислот» . ФАСЕБ Дж . 13 (1): 41–51. дои : 10.1096/fasebj.13.1.41 . ПМИД 9872928 . S2CID 2887572 .
- ^ Минкс, Кэролайн; Алефельдер, Стефан; Мородер, Луис; Хубер, Роберт; Будиса, Недилько (2000). «На пути к новой белковой инженерии: создание и складывание белковых челноков in vivo для доставки и нацеливания лекарств с помощью метода селективного введения под давлением (SPI)». Тетраэдр . 56 (48): 9431–9442. дои : 10.1016/S0040-4020(00)00827-9 .
- ^ Хёсл, МГ; Оем, С.; Дуркин, П.; Дармон, Э.; Пейл, Л.; Аэрни, Х.-Р.; Раппсилбер, Дж .; Райнхарт, Дж.; Лич, Д.; Зёлль, Д.; Будиса, Н. (2015). «Химическая эволюция бактериального протеома» . Angewandte Chemie, международное издание . 54 (34): 10030–10034. дои : 10.1002/anie.201502868 . ПМЦ 4782924 . ПМИД 26136259 .
- ^ Койн Дж. А. (10 октября 1999 г.). «Истина где-то там» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 6 апреля 2008 г.
- ^ У Джи (май 2009 г.). «Аминокислоты: обмен веществ, функции и питание». Аминокислоты . 37 (1): 1–17. дои : 10.1007/s00726-009-0269-0 . ПМИД 19301095 . S2CID 1870305 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- «Регуляция эндосомального клатрина и ретромер-опосредованной эндосомы для ретроградного транспорта Гольджи с помощью J-доменового белка RME-8» - Журнал EMBO Journal
- «Плейотропные эффекты пуриновой ауксотрофии у Rhizobium meliloti на молекулы клеточной поверхности» - Springerlink
- «Ауксотрофия и органические соединения в питании морского фитопланктона»