AUXOTROF: PŮVOD, PŘÍKLAD A APLIKACE - BIOLOGIE - 2025

Auxotrofní je mikroorganismus, který není schopen syntetizovat určitý druh živin nebo organické složky nezbytný pro růst uvedeného jednotlivce. Tento kmen se proto může množit, pouze pokud je živina přidána do kultivačního média. Tento nutriční požadavek je výsledkem mutace v genetickém materiálu.

Tato definice se obecně vztahuje na specifické podmínky. Například říkáme, že organismus je auxotrofní pro valin, což naznačuje, že dotyčný jedinec potřebuje tuto aminokyselinu k aplikaci v kultivačním médiu, protože není schopen ji sám produkovat.

Zdroj: pixabay.com

Tímto způsobem můžeme rozlišit dva fenotypy: „mutant“, který odpovídá valinovému auxotrofu - vezmeme-li v úvahu náš předchozí hypotetický příklad, i když to může být auxotrof pro jakoukoli živinu - a „původní“ nebo divoký, který dokáže správně syntetizovat aminokyselina. Ten se nazývá prototrof.

Auxotropie je způsobena určitou specifickou mutací, která vede ke ztrátě schopnosti syntetizovat prvek, jako je aminokyselina nebo jiná organická složka.

V genetice je mutace změnou nebo úpravou sekvence DNA. Obecně mutace inaktivuje klíčový enzym v syntetické dráze.

Jak vznikají auxotrofní organismy?

Obecně mikroorganismy pro svůj růst vyžadují řadu základních živin. Vaše minimální potřeby jsou vždy zdroj uhlíku, zdroj energie a různé ionty.

Organismy, které potřebují další živiny než základní, jsou auxotrofy pro tuto látku a jsou způsobeny mutacemi v DNA.

Ne všechny mutace, které se vyskytují v genetickém materiálu mikroorganismu, ovlivní jeho schopnost růst proti určité živině.

Může dojít k mutaci, která nemá žádný vliv na fenotyp mikroorganismu - jsou známé jako tiché mutace, protože nemění sekvenci proteinu.

Mutace tedy ovlivňuje velmi konkrétní gen, který kóduje esenciální protein metabolické dráhy, která syntetizuje esenciální látku pro tělo. Generovaná mutace musí inaktivovat gen nebo ovlivnit protein.

Obecně ovlivňuje klíčové enzymy. Mutace musí vést ke změně sekvence aminokyseliny, která významně mění strukturu proteinu a tím eliminuje jeho funkčnost. Může také ovlivnit aktivní místo enzymu.

Příklady v

S. cerevisiae je jednobuněčná houba známá jako pivní kvasnice. Používá se pro výrobu jedlých výrobků pro člověka, jako je chléb a pivo.

Díky své užitečnosti a snadnému růstu v laboratoři je to jeden z nejpoužívanějších biologických modelů, a proto je známo, že specifické mutace jsou příčinou auxotropie.

Auxotrofy pro histidin

Histidin (ve zkratce v jednopísmenné nomenklatuře H a tři písmena His) je jednou z 20 aminokyselin, které tvoří proteiny. Skupina R této molekuly je tvořena pozitivně nabitou imidazolovou skupinou.

Ačkoli u zvířat, včetně lidí, je to esenciální aminokyselina - to znamená, že ji nemohou syntetizovat a musí ji začlenit prostřednictvím stravy - mikroorganismy mají schopnost ji syntetizovat.

Gen HIS3 v této kvasnici kóduje enzym imidazol glycerol fosfát dehydrogenázu, který se podílí na syntéze histidinu aminokyseliny.

Mutace v tomto genu (his3 ^-) vedou k histidinové auxotropii. Tyto mutanty tedy nemohou proliferovat v médiu postrádajícím živinu.

Auxotrofy pro tryptofan

Podobně tryptofan je hydrofobní aminokyselina, která má indolovou skupinu jako skupinu R. Stejně jako předchozí aminokyselina musí být začleněna do potravy zvířat, ale mikroorganismy ji mohou syntetizovat.

Gen TRP1 kóduje enzym fosforibosyl antranilát izomerázu, která se podílí na anabolické tryptofanové dráze. Dojde-li ke změně v tomto genu, získá se mutace trp1 ^- což znemožňuje tělu syntetizovat aminokyselinu.

Auxotrofy pro pyrimidiny

Pyrimidiny jsou organické sloučeniny, které jsou součástí genetického materiálu živých organismů. Konkrétně se nacházejí v dusíkatých bázích, které tvoří součást thyminu, cytosinu a uracilu.

U této houby kóduje URA3 gen enzym orotidin-5'-fosfát dekarboxyláza. Tento protein je zodpovědný za katalýzu kroku de novo syntézy pyrimidinů. Proto mutace, které ovlivňují tento gen, způsobují uridin nebo uracil auxotropii.

Uridin je sloučenina, která je výsledkem spojení uracilu s dusíkatou bází s ribózovým kruhem. Obě struktury jsou spojeny glykosidickou vazbou.

Aplikace

Auxotropie je velmi užitečnou charakteristikou ve studiích týkajících se mikrobiologie pro výběr organismů v laboratoři.

Stejný princip lze použít na rostliny, kde je genetickým inženýrstvím auxotrofní jedinec vytvořen, buď pro methionin, biotin, auxin atd.

Aplikace v genetickém inženýrství

Auxotrofní mutanti se široce používají v laboratořích, kde se provádějí protokoly genetického inženýrství. Jedním z cílů těchto molekulárních praktik je výuka plazmidu konstruovaného výzkumníkem v prokaryotickém systému. Tento postup se nazývá „auxotrofní komplementace“.

Plazmid je kruhová molekula DNA, typická pro bakterie, která se replikuje nezávisle. Plazmidy mohou obsahovat užitečné informace, které bakterie používají, například rezistenci na některé antibiotikum nebo gen, který mu umožňuje syntetizovat požadovanou živinu.

Vědci, kteří chtějí zavést plasmid do bakterie, mohou použít auxotrofní kmen pro konkrétní živinu. Genetická informace nezbytná pro syntézu živiny je kódována v plazmidu.

Tímto způsobem se připraví minimální médium (které neobsahuje živinu, kterou mutantní kmen nemůže syntetizovat) a bakterie se naočkují plasmidem.

Pouze bakterie, které začleňují tuto část plazmidové DNA, budou schopny růst v médiu, zatímco bakterie, které nedokáží zachytit plazmid, zemřou kvůli nedostatku živin.

Reference

1. Benito, C., a Espino, FJ (2012). Genetika, základní pojmy. Editorial Médica Panamericana.
2. Brock, TD, a Madigan, MT (1993). Mikrobiologie. Prentice-Hall Hispanoamericana,.
3. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). Úvod do genetické analýzy. Macmillan.
4. Izquierdo Rojo, M. (2001). Genetické inženýrství a přenos genů. Pyramida.
5. Molina, JLM (2018). 90 řešených problémů genetického inženýrství. Univerzita Miguela Hernándeze.
6. Tortora, GJ, Funke, BR, a Case, CL (2007). Úvod do mikrobiologie. Editorial Médica Panamericana.