MI A PROTOTRÓF ÉS MILYEN ALKALMAZÁSAI VANNAK? - BIOLÓGIA - 2025

A prototrófok olyan szervezetek vagy sejtek, amelyek képesek előállítani az életfolyamataikhoz szükséges aminosavakat. Ezt a kifejezést általában egy adott anyaggal kapcsolatban használják. Ez ellentétes az auxotroph kifejezéssel.

Ez utóbbi kifejezés olyan mikroorganizmus meghatározására szolgál, amely csak akkor képes növekedni és szaporodni a tápközegben, ha egy speciális tápanyagot adtak hozzá. A prototróf esetében ilyen anyag nélkül virágzik, mert képes előállítani.

Egyszerű összehasonlítás az auxotrof és a prototróf között. Felvétel és szerkesztés: Akardoust-tól, a Wikimedia Commons-tól.

Egy olyan szervezetet vagy törzset, amely például nem képes növekedni lizin hiányában, auxotróf lizinnek nevezzük. A prototróf lizin törzs a maga részéről növekszik és szaporodik, függetlenül a lizin jelenlététől vagy hiányától a tápközegben.

Alapvetően egy auxotróf törzs elvesztette egy funkcionális anyagcserét, amely lehetővé tette egy alapvető anyag szintetizálását, amely nélkülözhetetlen létfontosságú folyamatainak.

Ezt a hiányt általában mutáció okozza. A mutáció olyan null allélt hoz létre, amely nem rendelkezik biológiai képességgel a prototrófban jelen lévő anyag előállításához.

Alkalmazások

Biokémia

Az auxotróf genetikai markereket gyakran használják a molekuláris genetikában. Minden gén tartalmazza az információt, amely egy fehérjét kódol. Ezt George Beadle és Edward Tatum kutatók mutatták be a Nobel-díjjal járó munkájuk során.

A gének ezen specifikussága lehetővé teszi a bioszintézis vagy biokémiai útvonalak feltérképezését. Egy gén mutációja egy fehérje mutációjához vezet. Ily módon meg lehet határozni a vizsgált baktériumok auxotróf törzseiben, hogy mely mutációs enzimek diszfunkcionálisak.

A bioszintézis útvonalának meghatározására szolgáló másik módszer a specifikus aminosavak auxotróf törzseinek használata. Ezekben az esetekben kihasználják a törzsek ilyen aminosavak iránti igényét a fehérjék nem természetes aminosav-analógjainak hozzáadására a tápközegben.

Például a fenilalanin helyettesítése para-azido-fenilalaninnal az Escherichia coli törzsek tenyészeteiben, amelyek fenilalanint auxotrófiának mutatnak.

Auxotróf markerek

Az élesztővel végzett genetikai kísérletek túlnyomó többségében markerként használják azokat a géneken belüli mutációkat, amelyek enzimeket kódolnak, amelyek részt vesznek az anyagcsere-építő molekulák bioszintézisében.

A mutáció (auxotrófia) által okozott táplálkozási hiányt kompenzálni lehet a tápanyag tápanyaggal való ellátásával.

Ez a kompenzáció azonban nem feltétlenül kvantitatív, mivel a mutációk különféle fiziológiai paramétereket befolyásolnak, és szinergetikusan hathatnak.

Emiatt kutatásokat végeztek prototróf törzsek előállítása céljából, az auxotróf markerek kiküszöbölése és az elfogultság csökkentése érdekében a fiziológiai és anyagcsere-vizsgálatok során.

Az Ames-teszt

Az Ames-tesztet, amelyet Salmonella mutagenezis tesztnek is neveznek, Bruce N. Ames fejlesztette ki az 1970-es években annak meghatározására, hogy a vegyi anyag mutagén-e.

A fordított mutáció vagy a hátsó mutáció elvén alapul. Számos Salmonella typhimurium törzset használ auxotróf és hisztidinnel szemben.

A vegyi anyag mutációt okozó képességét úgy mérik, hogy baktériumokra alkalmazzák egy hisztidint tartalmazó lemezen. A baktériumokat ezután új hisztidinszegény plakkra helyezik.

Ha az anyag nem mutagén, a baktériumok nem mutatnak növekedést az új plakkon. Egy másik esetben a hisztidin auxotróf baktériumok ismét mutálódnak prototróf hisztidin törzsekké.

A prototróf Salmonella typhimurium baktérium tenyészete. Felvétel és szerkesztés: Sun14916, a Wikimedia Commons-tól

A lemezekben a baktériumok növekedésének arányával történő összehasonlítása kezeléssel és anélkül lehetővé teszi a vegyület baktériumok mutagén erejének számszerűsítését.

A baktériumokban ez a lehetséges mutagén hatás azt jelzi, hogy más szervezetekben, beleértve az embereket is, ugyanaz a hatás lehet.

Úgy gondolják, hogy egy vegyület, amely képes mutációt kiváltani a bakteriális DNS-ben, képes lehet olyan rákot okozó mutációk előállítására is.

Egyéb alkalmazások az Ames-tesztre

Új törzsek kifejlesztése

Az Ames-teszt alkalmazásával új baktériumtörzseket kaptunk. Például fejlesztettek ki nitroreduktáz-hiányos törzseket.

Ezeket a törzseket xenobiotikus anyagcsere és DNS-javító rendszerek tanulmányozására használják. Hasznosnak bizonyultak a nitrocsoportok metabolikus mechanizmusainak felmérésében is aktív mutagének előállítására, valamint a genotoxikus vegyületek nitrációs mechanizmusainak felmérésére.

Antimutagenesis

Az Ames-tesztet eszközként használták a természetes antimutagének tanulmányozására és osztályozására is. Az antimutagének olyan vegyületek, amelyek csökkentik a mutagén DNS-elváltozásokat, elsősorban javítórendszereik fejlesztésével.

Ilyen módon az ilyen vegyületek elkerülik a rák kialakulásának kezdeti lépéseit. Az 1980-as évek eleje (20. század) óta Ames és társai tanulmányokat készítettek a genotoxincsökkentés és a rák kockázatainak értékelésére antimutagénekben gazdag étrend révén.

Megfigyelték, hogy azokban a lakosságban, ahol magas az antimutagének szintje diéta, alacsonyabb a kockázata a gastroentericus rák kialakulásának.

Az Ames-tesztet széles körben használják különféle növényi kivonatok tanulmányozására, amelyekről ismert, hogy csökkentik a mutagenitást. Ezek a tanulmányok azt is kimutatták, hogy a növényi összetevők nem mindig biztonságosak. Számos ehető növényről kimutatták, hogy genotoxikus hatással rendelkezik.

Az Ames-teszt is hasznosnak bizonyult az alternatív gyógyászatban gyakran használt természetes vegyületek toxikus vagy antimutagén hatásának kimutatására.

Genotoxikus metabolizmus vizsgálatok

Az Ames-teszt egyik gyengesége a genotoxikus vegyületek metabolikus aktiválásának hiánya volt. Ezt a problémát azonban rágcsálókból készített CYP-indukált májhomogenizátumok hozzáadásával oldottuk meg.

A CYP egy hemoprotein, amely különféle anyagok metabolizmusához kapcsolódik. Ez a módosítás új képességeket adott az Ames-teszthez. Például különféle CYP-induktorokat értékeltek, amelyek azt mutatták, hogy ezeket az enzimeket különféle típusú vegyületek indukálják.

A mutagének értékelése a biológiai folyadékokban

Ezekben a vizsgálatokban vizelet-, plazma- és szérummintákat használnak. Hasznosak lehetnek az N-nitrozo-vegyületek in vivo képződésének értékeléséhez az aminocsoportokból.

Hasznosak lehetnek a foglalkozási mutagéneknek, a dohányzási szokásoknak és a környezetszennyező anyagoknak való kitettségnek kitett emberi népesség epidemiológiai vizsgálata során is.

Ezek a tesztek bebizonyították például, hogy a hulladéktermékeknek kitett munkavállalók magasabb vizelet-mutagénszintet mutatnak, mint a vízkezelő létesítményekben dolgozók.

Azt is kimutatta, hogy a kesztyű használata csökkenti a mutagének koncentrációját a policiklusos aromás vegyületeknek kitett öntödei dolgozókban.

A húgyúti mutagén vizsgálatok szintén értékes eszköz az antimutagén értékelés szempontjából, mivel például ez a teszt kimutatta, hogy a C-vitamin beadása gátolja az N-nitrozo-vegyületek képződését.

Azt is kimutatta, hogy a zöld tea egy hónapig tartó fogyasztása csökkenti a húgyúti mutagének koncentrációját.

Irodalom

1. BN Ames, J. McCann, Yamasaki E. (1975). Karcinogének és mutagének kimutatásának módszerei a szalmonella / emlős-mikroszóma mutagenitási teszttel. Mutációs kutatás / környezeti mutagenezis és kapcsolódó témák.
2. B. Arriaga-Alba, R. Montero-Montoya, JJ Espinosa (2012). Az Ames teszt a huszonegyedik században. Kutatás és vélemények: A Journal of Toxicology.
3. Auxotrophia. A Wikipedia. Helyreállítva a https://en.wikipedia.org/wiki/Auxotrophy webhelyről.
4. S. Benner (2001). A genetika enciklopédia. Academic Press.
5. F. Fröhlich, R. Christiano, TC Walther (2013). Natív SILAC: A proteinek metabolikus jelölése a prototróf mikroorganizmusokban lizin szintézis szabályozás alapján. Molekuláris és celluláris proteomika.
6. M. Mülleder, F. Capuano, P. Pir, S. Christen, U. Sauer, SG Oliver, M. Ralser (2012). Prototróf deléciós mutáns gyűjtemény élesztő metabolizmus és rendszerbiológia számára. Természet biotechnológia.