Кіріспе

Өсу үшін қажетті органикалық қосылысты синтездеуге қабілетсіздік. Ауксотрофия (αὐξάνω "өсу"; τροφή "тағам") – организмнің өзінің өсуі үшін қажетті белгілі бір органикалық қосылысты синтездеуге қабілетсіздігі (IUPAC анықтамасы бойынша). Ауксотроф – осы қасиетті көрсететін организм; ауксотрофтық – сәйкес келетін сын есім. Ауксотрофия – өсу үшін қажетті барлық қосылыстарды синтездеу қабілетімен сипатталатын прототрофияға қарама-қарсы. Прототрофты жасушалар (кейде "жабайы тип" деп те аталады) – барлық қажетті метаболиттерді (мысалы, аминқышқылдары, липидтер, кофакторлар) өзіндік түрде жеткілікті өндіретін организмдер, ал ауксотрофтар өздері өндіре алмайтын метаболиттері бар ортада болуы керек. Мысалы, жасуша метионинге ауксотрофты дегені – оның метионин қосылған ортада өсуі керек, әйтпесе ол көбейе алмайды. Бұл мысалда, себебі ол өзінің метионинін (метионин ауксотрофы) өндіре алмайды. Алайда, прототроф немесе метионинге прототрофты жасуша метионинмен немесе онысыз ортада өмір сүре және көбейе алады. Репликалық егу – бұл колонияларды бір табақтан екінші табаққа, алдыңғы табақтағыдай бірдей орналасқан жерге көшіру әдісі, осылайша әртүрлі орталардағы табақтарды салыстыруға болады. Бұл бактериялық колонияның қандай ортада өсе алатынын немесе өсе алмайтынын анықтау үшін бірдей колониялардың әртүрлі орталардағы өсуін салыстыру үшін қолданылады (бұл ауксотрофтық қасиеттер туралы мәлімет береді). Джошуа Ледерберг пен Эстер Ледерберг қолданған репликалық егу әдісіне температураға сезімтал ауксотрофтар кірді; яғни олардың синтездеу қабілеті температураға тәуелді болды. (Ауксотрофтар әдетте температураға тәуелді емес. Олар басқа факторларға да тәуелді болуы мүмкін.) Сондай-ақ, организм өсу үшін қажетті бірнеше органикалық қосылысқа қатысты ауксотрофты болуы мүмкін.

Генетика

Генетикада, егер штаммда маңызды затты синтездеуге қабілетін жоятын мутация болса, онда ол ауксотрофты деп аталады. Мысалы, урацил синтезі жолындағы белсенділігі жойылған генге ие ашытқы мутанты – урацилге тәуелді ауксотроф болып табылады (мысалы, егер ашытқының 5'-фосфатты оротидин декарбоксилаза гені белсенділігінен айырылса, нәтижесінде алынған штамм урацилге тәуелді ауксотроф болады). Мұндай штамм урацилді өзі синтездей алмайды және тек ортадан урацил сіңірілген жағдайда ғана өсе алады. Бұл урацил прототрофынан, я болмаса осы жағдайда урацилдің болмауында да өсе алатын жабайы типті штаммнан өзгеше. Ауксотрофты генетикалық маркерлер молекулалық генетикада жиі қолданылады; олар Бедл мен Татумның «бір ген – бір фермент» гипотезасы бойынша Нобель сыйлығын алған жұмыстарында кеңінен танымал болды, онда гендердің мутациялары мен ақуыздың мутациялары арасындағы байланыс көрсетілді. Бұл биосинтетикалық немесе биохимиялық жолдарды картаға түсіруге мүмкіндік береді, соның арқасында зерттеліп жатқан бактериялардың ауксотрофты штаммдарында қай фермент немесе ферменттердің мутацияға ұшырап, бұзылғанын анықтауға болады.

Мутагендік сынақ (немесе Аймс сынағы)

Сальмонелланың мутагенезін тексеру (Амес сынағы) гистидинге қатысты ауксотрофты сальмонелла тифимуриумның бірнеше штамдарын пайдаланады. Бұл сынақ, белгілі бір химиялық заттың мутация тудыру қабілетін, химиялық қосылыс қосылған кезде оның ауксотрофты қасиеттеріндегі өзгерістерді бақылап анықтауға мүмкіндік береді. Химиялық заттың немесе қосылыстың тудырған мутациясы, оны гистидині бар ортадағы бактерияларға қолдану арқылы өлшенеді, содан кейін бактериялар үздіксіз өсу үшін жеткілікті гистидинсіз жаңа ортаға көшіріледі. Егер зат бактерияның геномын ауксотрофтықтан гистидинге, ал кейін прототрофтыққа қайтару арқылы өзгерте алмаса, онда бактерия жаңа ортада өспейді. Жаңа ортадағы бактериялардың мөлшерін ескі ортадағы бактериялармен, сондай-ақ бақылау тобындағы бактериялардың мөлшерімен салыстыру арқылы, заттың мутагендік қасиетін немесе ДНК-да мутация тудыру ықтималдығын анықтауға болады. Химиялық зат, егер ол Амес сынағында байқалатын реверсия жылдамдығын арттыратын мутацияларды тудырса, оң нәтиже деп есептеледі, ал бақылау тобымен салыстырғанда ұқсас нәтиже көрсетсе, теріс нәтиже деп саналады. Қажетті метаболиті жоқ ортада ауксотрофты бактериялар өссе, прототрофияға қайта мутациялау мүмкіндігі болғандықтан, ревертант колонияларының қалыпты, бірақ аз саны күтіледі. Бұл мүмкіндік төмен болғандықтан, өте кішкентай колониялар пайда болады. Дегенмен, егер мутагенді зат қосылса, ревертанттардың саны мутагенді затсыз қарағанда айқын жоғары болады. Амес сынағы, негізінен, егер зат бактерияның ДНК-сында мутация тудыру мүмкіндігін арттырып, мутагендік ортадағы ревертанттар мен бақылау тобындағы ортадағы ревертанттардың сандық айырмашылығын тудырса, оң деп есептеледі. Амес сынағының теріс нәтижесі, мүмкін мутаген ревертанттардың көбеюіне себеп болмағанын, ал оң нәтижесі – мүмкін мутаген мутация тудыру мүмкіндігін арттырғанын көрсетеді. Бактерияларға мутагендік әсер ететін бұл эффектілер, адам сияқты ірі организмдерге де әсер етудің ықтимал индикаторы ретінде зерттеледі. Бактериялық ДНК-да мутагеннің қатысуында мутация туындаса, ірі организмдерде де, қатерлі ісіктерге себеп болатын осындай әсер пайда болуы мүмкін.

Аксотрофиялық әдістер табиғи емес амин қышқылдарын ақуыздарға және протеомаларға қосу үшін

Табиғи емес аминқышқылдарының көптеген түрлері, пішіні, мөлшері және химиялық қасиеттері жағынан канондық аналогтарына ұқсас, ауксотрофты экспрессиялық жүйелер арқылы рекомбинантты ақуыздарға енгізіледі. Мысалы, метионин (Met) немесе триптофан (Trp) ауксотрофты Escherichia coli штаммдарын анықталған минималды ортада өсіруге болады. Бұл тәжірибелік жағдайда канондық Trp және Met қалдықтары толыққанды түрде басқа ортаға қосылған ұқсас аналогтармен алмастырылған рекомбинантты ақуыздарды экспрестеуге мүмкіндік береді. Бұл әдіс протеин инженериясының жаңа түрін қалыптастырады, ол ДНК деңгейінде кодонды манипуляциялау (мысалы, олигонуклеотидтік бағытталған мутагенез) арқылы емес, тиімді селекциялық қысым астында ақуыз трансляциясы деңгейінде кодонды қайта бейімдеу арқылы жүзеге асырылады. Сондықтан, бұл әдіс селективті қысыммен енгізу (SPI) деп аталады. Қазірге дейін зерттелген ешбір организм канондық жиырмадан басқа аминқышқылдарды кодтамайды; екі қосымша канондық аминқышқыл (селеноцистеин, пирролизин) трансляциялық тоқтату сигналдарын қайта кодтау арқылы ақуыздарға енгізіледі. Бұл шекара метаболикалық тұрақты ауксотрофты микробтық штаммдардың зертханалық эволюциясы арқылы бұзылуы мүмкін. Мысалы, 2015 жылы триптофанның жалғыз орнына табиғи емес тиено[3,2 b]пирролил)аланин аминқышқылымен ғана тіршілік ете алатын Escherichia coli штаммын эволюциялау бойынша алғашқы сәтті әрекет жасалды.

Танымал мәдениетте

1993 жылы түсірілген "Юралық парк" фильмі (Майкл Крайтонның 1990 жылы жарық көрген осы аттас романы негізінде) генетикалық түрлендірілген динозаврларды көрсетеді, олар лизин аминоқышқылын өндіре алмайды. Бұл "лизинге тәуелділік" деп аталды және клондалған динозаврлардың парк шегінен тыс жерде тірі қалуына кедерес келтіру, оларды парк ветеринарлары ұсынатын лизин қосымшаларына мұқтаж ету мақсатында жасалған. Бірақ шындығында, ешбір жануар лизин өндіре алмайды (өйткені ол маңызды аминоқышқыл болып табылады).