CO JE PROTOTROF A JAKÉ JSOU JEHO APLIKACE? - BIOLOGIE - 2025

Tyto prototrofy jsou organismy nebo buňky, které jsou schopné produkovat aminokyseliny, které vyžadují pro jejich životní procesy. Tento termín se obecně používá ve vztahu ke konkrétní látce. Je to opak pojmu auxotrof.

Tento poslední termín se používá k definování mikroorganismu, který je schopen růst a množit se v kultivačním médiu, pouze pokud k němu byla přidána specifická živina. V případě prototrofu se daří bez takové látky, protože je schopna ji vyrobit sama.

Jednoduché srovnání mezi auxotrofem a prototrofem. Převzato a upraveno: Akardoust, Wikimedia Commons.

Organismus nebo kmen, například neschopný růst v nepřítomnosti lysinu, by se nazýval auxotrofní lysin. Prototrofní kmen lysinu bude růst a reprodukovat nezávisle na přítomnosti nebo nepřítomnosti lysinu v kultivačním médiu.

V podstatě auxotrofní kmen ztratil funkční metabolickou cestu, která mu umožnila syntetizovat základní látku nezbytnou pro její životně důležité procesy.

Tento nedostatek je obvykle způsoben mutací. Mutace vytváří nulovou alelu, která nemá biologickou kapacitu produkovat látku přítomnou v prototrofě.

Aplikace

Biochemie

Auxotropní genetické markery se často používají v molekulární genetice. Každý gen obsahuje informace kódující protein. Dokázali to vědci George Beadle a Edward Tatum v jejich práci, která jim vynesla Nobelovu cenu.

Tato specifičnost genů umožňuje mapování biosyntetických nebo biochemických drah. Mutace genu vede k mutaci proteinu. Tímto způsobem lze v auxotrofních kmenech sledovaných bakterií stanovit, které enzymy jsou nefunkční kvůli mutacím.

Dalším způsobem stanovení biosyntetických drah je použití auxotrofních kmenů specifických aminokyselin. V těchto případech je potřeba kmenů pro takové aminokyseliny využita k přidání nepřirozených analogů aminokyselin proteinů do kultivačního média.

Například substituce fenylalaninu za para-azido fenylalanin v kulturách kmenů Escherichia coli auxotrofních za fenylalanin.

Auxotropní markery

Mutace v genech kódujících enzymy, které se účastní cest biosyntézy metabolických stavebních molekul, se používají jako markery v naprosté většině genetických experimentů s kvasinkami.

Nedostatek výživy způsobený mutací (auxotropie) může být kompenzován dodáním požadované živiny do růstového média.

Taková kompenzace však nemusí být nutně kvantitativní, protože mutace ovlivňují různé fyziologické parametry a mohou působit synergicky.

Z tohoto důvodu byly provedeny studie za účelem získání prototrofních kmenů s cílem eliminovat auxotrofní markery a snížit zaujatost ve fyziologických a metabolických studiích.

Amesův test

Amesův test, také nazývaný Salmonella mutagenesis test, byl vyvinut Bruce N. Amesem v 70. letech 20. století, aby určil, zda je chemická látka mutagenem.

Je založen na principu reverzní mutace nebo zadní mutace. Používá auxotrofní kmeny Salmonella typhimurium na histidin.

Síla chemické látky způsobovat mutaci se měří její aplikací na bakterie na plotně obsahující histidin. Bakterie jsou následně přemístěny do nového histidinu chudého plaku.

Pokud látka není mutagenní, bakterie nevykazují růst na novém plaku. V dalším případě budou histidinové auxotrofní bakterie znovu mutovat na prototrofní histidinové kmeny.

Kultura prototrofní bakterie Salmonella typhimurium. Převzato a upraveno z: Sun14916, z Wikimedia Commons

Porovnání podílu bakteriálního růstu v destičkách s a bez ošetření umožňuje kvantifikovat mutagenní sílu sloučeniny na bakterie.

Tento možný mutagenní účinek na bakterie naznačuje možnost vyvolání stejných účinků v jiných organismech, včetně lidí.

Předpokládá se, že sloučenina, která je schopna vyvolat mutaci v bakteriální DNA, může být také schopna produkovat mutace, které mohou způsobit rakovinu.

Další aplikace na Amesův test

Vývoj nových kmenů

Amesův test byl použit pro získání nových bakteriálních kmenů. Například byly vyvinuty kmeny s nedostatkem nitroreduktázy.

Tyto kmeny se používají ke studiu xenobiotického metabolismu a opravných systémů DNA. Byly také užitečné při hodnocení metabolických mechanismů nitroskupin k produkci aktivních mutagenů, jakož i nitračních mechanismů genotoxických sloučenin.

Antimutageneze

Amesův test byl také použit jako nástroj ke studiu a klasifikaci přírodních antimutagenů. Antimutageny jsou sloučeniny, které mohou redukovat mutagenní léze v DNA, zejména zlepšením jejich opravných systémů.

Tímto způsobem se takové sloučeniny vyhýbají počátečním krokům vývoje rakoviny. Od počátku osmdesátých let 20. století (Ames et al.) Provedli studie k vyhodnocení snížení genotoxinů a rizik rakoviny způsobených stravou bohatou na antimutageny.

Zjistili, že populace, které mají stravu s vysokou hladinou antimutagenů, mají nižší riziko rozvoje gastroenterální rakoviny.

Amesův test byl rozsáhle používán ke studiu různých rostlinných extraktů, o kterých je známo, že snižují mutagenitu. Tyto studie také ukázaly, že komponenty rostlin nejsou vždy bezpečné. Bylo prokázáno, že mnoho jedlých rostlin má genotoxické účinky.

Ukázalo se také, že Amesův test je užitečný při detekci toxických nebo antimutagenních účinků přírodních sloučenin, které se často používají v alternativní medicíně.

Studie genotoxického metabolismu

Jednou ze slabých stránek testu Ames byl nedostatek metabolické aktivace genotoxických sloučenin. Tento problém byl však vyřešen přidáním jaterních homogenátů indukovaných CYP připravených z hlodavců.

CYP je hemoprotein spojený s metabolismem různých látek. Tato modifikace přidala nové možnosti do Amesova testu. Například byly vyhodnoceny různé induktory CYP, které ukázaly, že tyto enzymy jsou indukovány různými typy sloučenin.

Hodnocení mutagenů v biologických tekutinách

Tyto testy používají vzorky moči, plazmy a séra. Mohou být užitečné pro hodnocení tvorby N-nitrososloučenin in vivo z aminoderivátů.

Mohou být také užitečné v epidemiologických studiích lidských populací vystavených pracovním mutagenům, kuřáckým návykům a expozici látkám znečišťujícím životní prostředí.

Tyto testy například ukázaly, že pracovníci vystavení odpadním produktům mají vyšší hladiny močových mutagenů než ti, kteří pracovali v zařízeních na úpravu vody.

Sloužilo také k prokázání, že použití rukavic snižuje koncentrace mutagenů ve slévárenských pracovnících vystavených polycyklickým aromatickým sloučeninám.

Studie močových mutagenů jsou také cenným nástrojem pro antimutagenní hodnocení, protože například tento test ukázal, že podávání vitaminu C inhibuje tvorbu N-nitrososloučenin.

Sloužilo také k prokázání, že konzumace zeleného čaje po dobu jednoho měsíce snižuje koncentraci močových mutagenů.

Reference

1. BN Ames, J. McCann, E. Yamasaki (1975). Metody detekce karcinogenů a mutagenů pomocí testu mutagenity salmonel / savčích mikrosomů. Výzkum mutací / mutageneze prostředí a příbuzné subjekty.
2. B. Arriaga-Alba, R. Montero-Montoya, JJ Espinosa (2012). Amesův test ve dvacátém prvním století. Výzkum a recenze: Journal of Toxicology.
3. Auxotropie. Na Wikipedii. Obnoveno z
4. S. Benner (2001). Encyklopedie genetiky. Academic Press.
5. F. Fröhlich, R. Christiano, TC Walther (2013). Nativní SILAC: Metabolické značení proteinů v prototrofních mikroorganismech založené na regulaci syntézy lysinu. Molekulární a buněčná proteomika.
6. M. Mülleder, F. Capuano, P. Pir, S. Christen, U. Sauer, SG Oliver, M. Ralser (2012). Sbírka prototrofních delečních mutantů pro metabolomiku kvasinek a biologii systémů. Přírodní biotechnologie.