Was ist ein Prototroph und was sind seine Anwendungen?
Die Prototrophen sind Organismen oder Zellen, die in der Lage sind, die Aminosäuren zu produzieren, die sie für ihre lebenswichtigen Prozesse benötigen. Dieser Begriff wird im Allgemeinen in Bezug auf einen bestimmten Stoff verwendet. Es ist entgegengesetzt zu dem Begriff auxotrophe.
Der letztere Begriff wird verwendet, um einen Mikroorganismus zu definieren, der in einem Kulturmedium nur wachsen und sich vermehren kann, wenn ihm ein bestimmter Nährstoff zugesetzt wurde. Im Falle des Prototrophs kann er ohne eine solche Substanz gedeihen, weil er in der Lage ist, sie selbst zu produzieren.
Ein Organismus oder Stamm, der beispielsweise in Abwesenheit von Lysin nicht wachsen kann, würde als auxotrophes Lysin bezeichnet. Der prototrophe Lysinstamm wächst wiederum und kann sich unabhängig von der Anwesenheit oder Abwesenheit von Lysin im Kulturmedium vermehren.
Grundsätzlich hat ein auxotropher Stamm einen funktionellen Stoffwechselweg verloren, der es ihm ermöglichte, eine Grundsubstanz zu synthetisieren, die für seine Vitalprozesse wesentlich ist.
Dieser Mangel ist in der Regel auf eine Mutation zurückzuführen. Die Mutation erzeugt ein Null-Allel, das nicht die biologische Fähigkeit besitzt, eine im Prototrophen vorhandene Substanz zu produzieren.
Anwendungen
Biochemie
Die auxotrophen genetischen Marker werden häufig in der Molekulargenetik verwendet. Jedes Gen enthält die Information, die ein Protein codiert. Dies zeigten die Forscher George Beadle und Edward Tatum in ihrer Arbeit, die sie zu Gläubigern des Nobelpreises machte.
Diese Spezifität der Gene ermöglicht die Kartierung von biosynthetischen oder biochemischen Pfaden. Eine Mutation eines Gens führt zu einer Mutation eines Proteins. Auf diese Weise kann in den auxotrophen Stämmen der untersuchten Bakterien festgestellt werden, welche Enzyme aufgrund der Mutationen gestört sind.
Eine andere Methode zur Bestimmung von Biosynthesewegen ist die Verwendung auxotropher Stämme spezifischer Aminosäuren. In diesen Fällen wird die Notwendigkeit solcher Aminosäuren durch die Stämme ausgenutzt, um unnatürliche Analoga der Proteine in die Kulturmedien einzufügen.
Zum Beispiel der Ersatz von Phenylalanin durch para-Azido-Phenylalanin in Kulturen von Escherichia coli- Stämmen, die für Phenylalanin auxotroph sind.
Auxotrophe Marker
Mutationen in den Genen, die Enzyme codieren, die an den Biosynthesewegen für metabolische Baumoleküle beteiligt sind, werden in den meisten genetischen Hefeexperimenten als Marker verwendet.
Der durch die Mutation verursachte Nährstoffmangel (Auxotrophie) kann durch Zufuhr des benötigten Nährstoffs in das Wachstumsmedium ausgeglichen werden.
Eine solche Kompensation ist jedoch nicht unbedingt quantitativ, da die Mutationen verschiedene physiologische Parameter beeinflussen und synergistisch wirken können.
Aus diesem Grund wurden Studien durchgeführt, um prototrophe Stämme zu erhalten, um auxotrophe Marker zu eliminieren und die Verzerrung in physiologischen und metabolischen Studien zu verringern.
Der Ames-Test
Der Ames-Test, auch Salmonella- Mutagenese-Test genannt, wurde von Bruce N. Ames in den 1970er Jahren entwickelt, um festzustellen, ob eine Chemikalie ein Mutagen ist.
Es basiert auf dem Prinzip der inversen oder späteren Mutation. Es werden mehrere Stämme von Salmonella typhimurium eingesetzt, die gegenüber Histidin auxotroph sind.
Die Fähigkeit einer Chemikalie, Mutationen hervorzurufen, wird gemessen, indem sie auf Bakterien auf einer Platte, die Histidin enthält, angewendet wird. Die Bakterien werden dann auf eine neue Platte gebracht, die arm an Histidin ist.
Wenn die Substanz nicht mutagen ist, würden die Bakterien in der neuen Plaque kein Wachstum zeigen. In einem anderen Fall mutieren die auxotrophen Histidin-Bakterien zurück zu prototrophen Stämmen zu Histidin.
Der Vergleich des Anteils des Bakterienwachstums in Platten mit und ohne Behandlung erlaubt es, die mutagene Kraft der Verbindung auf die Bakterien zu quantifizieren.
Diese mögliche mutagene Wirkung bei Bakterien weist darauf hin, dass sie auch bei anderen Organismen, einschließlich Menschen, die gleichen Auswirkungen hat.
Es wird angenommen, dass eine Verbindung, die eine Mutation in der bakteriellen DNA hervorrufen kann, auch Mutationen hervorrufen kann, die Krebs verursachen können.
Andere Anwendungen für den Ames-Test
Entwicklung neuer Stämme
Der Ames-Test wurde angewendet, um neue Bakterienstämme zu erhalten. Beispielsweise wurden Stämme mit einem Mangel an Nitroreduktasen entwickelt.
Diese Stämme werden verwendet, um den Metabolismus von Xenobiotika und DNA-Reparatursystemen zu untersuchen. Sie waren auch nützlich, um die Stoffwechselmechanismen von Nitrogruppen zur Herstellung aktiver Mutagene sowie die Nitrierungsmechanismen genotoxischer Verbindungen zu untersuchen.
Antimutagenese
Der Ames-Test wurde auch als Instrument zur Untersuchung und Klassifizierung natürlicher Antimutagene verwendet. Antimutagene sind Verbindungen, die mutagene DNA-Schäden reduzieren können, hauptsächlich durch die Verbesserung ihrer Reparatursysteme.
Auf diese Weise vermeiden solche Verbindungen die ersten Schritte der Krebsentstehung. Seit den frühen 80er Jahren (des 20. Jahrhunderts) haben Ames und Kollegen Studien durchgeführt, um die Reduzierung von Genotoxinen und das Krebsrisiko durch eine antimutagenreiche Ernährung zu bewerten.
Sie beobachteten, dass Bevölkerungsgruppen, die eine Diät mit hohen Antimutagen-Gehalten hatten, ein geringeres Risiko hatten, Magen-Darm-Krebs zu entwickeln.
Der Ames-Test wurde häufig verwendet, um mehrere Pflanzenextrakte zu untersuchen, von denen bekannt ist, dass sie die Mutagenität verringern. Diese Studien haben auch gezeigt, dass Anlagenteile nicht immer sicher sind. Es wurde gezeigt, dass viele essbare Pflanzen genotoxische Wirkungen haben.
Der Ames-Test hat sich auch als nützlich erwiesen, um die toxischen oder antimutagenen Wirkungen von Naturstoffen nachzuweisen, die in der Alternativmedizin häufig verwendet werden.
Untersuchungen zum genotoxischen Stoffwechsel
Eine der Schwächen des Ames-Tests war die fehlende metabolische Aktivierung der genotoxischen Verbindungen. Dieses Problem wurde jedoch durch die Zugabe von Leberhomogenaten gelöst, die durch aus Nagetieren hergestelltes CYP induziert wurden.
CYP ist ein Hämoprotein, das mit dem Metabolismus verschiedener Substanzen verbunden ist. Diese Änderung fügte dem Ames-Test neue Funktionen hinzu. Beispielsweise wurden mehrere Induktoren von CYP untersucht, die zeigten, dass diese Enzyme durch verschiedene Arten von Verbindungen induziert werden.
Bewertung von Mutagenen in biologischen Flüssigkeiten
Diese Tests verwenden Urin-, Plasma- und Serumproben. Sie können zur Bewertung der Bildung von N-Nitrosoverbindungen in vivo aus Amindrogen nützlich sein.
Sie können auch in epidemiologischen Studien an Menschen nützlich sein, die berufsbedingten Mutagenen, Rauchgewohnheiten und der Exposition gegenüber Umweltschadstoffen ausgesetzt sind.
Diese Tests haben zum Beispiel gezeigt, dass Arbeitnehmer, die Abfallprodukten ausgesetzt sind, einen höheren Gehalt an Harnmutagenen haben als diejenigen, die in Wasseraufbereitungsanlagen gearbeitet haben.
Es hat auch gezeigt, dass die Verwendung von Handschuhen die Konzentration von Mutagenen in Gießereiarbeitern verringert, die aromatischen polycyclischen Verbindungen ausgesetzt sind.
Untersuchungen von Urinmutagenen sind auch ein wertvolles Instrument zur antimutagenen Bewertung, da dieser Test beispielsweise zeigte, dass die Verabreichung von Vitamin C die Bildung von N-Nitrosoverbindungen hemmt.
Es wurde auch gezeigt, dass der Konsum von grünem Tee für einen Monat die Konzentration von Mutagenen im Urin reduziert.
