Vad är en prototroph och vad är dess tillämpningar?

Prototroferna är organismer eller celler som kan producera de aminosyror de behöver för sina vitala processer. Denna term används generellt i förhållande till ett visst ämne. Det är motsatsen till uttrycket auxotrophic.

Den senare termen används för att definiera en mikroorganism som kan växa och multiplicera i ett odlingsmedium endast om ett specifikt näringsämne har tillsatts. När det gäller prototrofen kan han trivas utan sådant ämne eftersom han kan producera det själv.

En organism eller stam, som exempelvis inte kan växa i frånvaro av lysin, skulle benämnas auxotrofisk lysin. Den prototrofa lysinstammen kommer i sin tur att växa och kan reproducera oberoende av närvaron eller frånvaron av lysin i odlingsmediet.

I grund och botten har en auxotrof stammen förlorat en funktionell metabolisk väg som gjorde det möjligt att syntetisera en grundläggande substans, nödvändig för sina vitala processer.

Denna brist beror vanligtvis på en mutation. Mutationen alstrar en nullallel som inte har den biologiska förmågan att producera ett ämne närvarande i prototrofen.

tillämpningar

biokemi

De auxotrofa genetiska markörerna används ofta i molekylär genetik. Varje gen innehåller informationen som kodar för ett protein. Detta demonstrerades av forskare George Beadle och Edward Tatum, i arbetet som gjorde dem till borgare för Nobelpriset.

Denna specificitet av generna möjliggör kartläggning av biosyntetiska eller biokemiska vägar. En mutation av en gen leder till en mutation av ett protein. På detta sätt kan det bestämmas i de auxotrofa stammarna hos de bakterier som studeras vilka enzymer som är dysfunktionella på grund av mutationerna.

En annan metod för att bestämma biosyntetiska vägar är användningen av auxotrofa stammar av specifika aminosyror. I dessa fall utnyttjas behovet av sådana aminosyror av stammarna för att tillsätta onaturliga analoger av proteinerna i odlingsmediet.

Exempelvis stammar ersättningen av fenylalanin med para-azido fenylalanin i odlingar av Escherichia coli auxotrof för fenylalanin.

Auxotrofa markörer

Mutationer inom generna som kodar enzymer involverade i vägar för biosyntes av metaboliska byggmolekyler används som markörer i de allra flesta genetiska experimenten med jäst.

Den näringsbrist som orsakas av mutationen (auxotrofi) kan kompenseras genom att man levererar det nödvändiga näringsämnet i tillväxtmediet.

En sådan kompensation är dock inte nödvändigtvis kvantitativ eftersom mutationerna påverkar olika fysiologiska parametrar och kan fungera synergistiskt.

På grund av detta har studier utförts för att erhålla prototrofa stammar i syfte att eliminera auxotrofa markörer och reducera bias i fysiologiska och metaboliska studier.

Ames-testet

Ames-testet, även kallat testet för salmonella- mutagenes, utvecklades av Bruce N. Ames på 1970-talet för att bestämma om en kemikalie är en mutagen.

Det är baserat på principen om invers mutation eller senare mutation. Det använder flera stammar av salmonella typhimurium auxotrophic mot histidin.

Kraften hos en kemikalie som orsakar mutation mäts genom att applicera den på bakterier på en platta innehållande histidin. Bakterierna flyttas sedan till en ny platta som är fattig i histidin.

Om ämnet inte är mutagent skulle bakterierna inte visa tillväxt i den nya placken. I ett annat fall kommer de auxotrofa histidinbakterierna att mutera tillbaka till prototrofiska stammar till histidin.

Jämförelsen av andelen bakteriell tillväxt i plattor med och utan behandling möjliggör kvantifiering av den mutagena effekten hos föreningen på bakterierna.

Denna möjliga mutagen effekt i bakterier indikerar möjligheten att det ger samma effekter i andra organismer, inklusive människor.

Man tror att en förening som kan orsaka en mutation i bakteriellt DNA kan också vara i stånd att producera mutationer som kan orsaka cancer.

Andra tillämpningar på Ames-testet

Utveckling av nya stammar

Ames-testet har applicerats för att erhålla nya bakteriestammar. Till exempel har stammar som är bristfälliga i nitroreduktaser utvecklats.

Dessa stammar används för att studera metabolism av xenobiotika och DNA-reparationssystem. De har också varit användbara för att utvärdera de metaboliska mekanismerna hos nitrogrupper för att producera aktiva mutagener, liksom nitreringsmekanismerna för genotoxiska föreningar.

Antimutagénesis

Ames-testet har också använts som ett verktyg för att studera och klassificera naturliga antimutagener. Antimutagener är föreningar som kan minska mutagena DNA-skador, främst genom att förbättra sina reparationssystem.

På detta sätt undviker sådana föreningar de första stegen av cancerutveckling. Sedan början av 80-talet (av det tjugonde århundradet) har Ames och kollegor genomfört studier för att utvärdera genotoxindereduktioner och cancerrisker genom en kost rik på antimutagen.

De observerade att populationer som hade dieter med höga halter av antimutagener hade mindre risk att utveckla gastroenterisk cancer.

Ames-testet har använts i stor utsträckning för att studera flera växtekstrakter som är kända för att minska mutageniciteten. Dessa studier har också visat att växtkomponenter inte alltid är säkra. Många ätbara växter har visat sig ha genotoxiska effekter.

Ames-testet har också visat sig vara användbart för att detektera de toxiska eller antimutagena effekterna av naturliga föreningar som ofta används i alternativ medicin.

Studier av genotoxisk metabolism

En av svagheterna i Ames-testet var bristen på metabolisk aktivering av de genotoxiska föreningarna. Emellertid har detta problem lösts genom tillsats av leverhomogenat inducerad av CYP framställt av gnagare.

CYP är ett hemoprotein associerat med metabolism av olika ämnen. Denna modifikation gav nya möjligheter till Ames-testet. Till exempel har flera inducerare av CYP utvärderats, vilket visade att dessa enzymer induceras av olika typer av föreningar.

Utvärdering av mutagener i biologiska vätskor

Dessa test använder urin, plasma och serumprover. De kan vara användbara för att utvärdera bildandet av N-nitroso-föreningar in vivo från amindroger.

De kan också vara användbara vid epidemiologiska studier av humana populationer utsatta för yrkesmässiga mutagener, rökvanor och exponering för miljöföroreningar.

Dessa tester har exempelvis visat att arbetstagare som utsätts för avfall har högre nivåer av urinmutagen än de som arbetade i vattenreningsanläggningar.

Det har också visat att användningen av handskar reducerar koncentrationerna av mutagener i gjuteriarbetare utsatta för aromatiska polycykliska föreningar.

Studier av urinmutagener är också ett värdefullt verktyg för antimutagen utvärdering, eftersom exempelvis detta test visade att administrering av vitamin C hämmar bildningen av N-nitroso-föreningar.

Det visade också att konsumtionen av grönt te för en månad minskar koncentrationen av urinmutagener.