Введение

Неспособность синтезировать органическое соединение, необходимое для роста. Ауксотрофия (αὐξάνω "увеличивать"; τροφή "питание") – это неспособность организма синтезировать конкретное органическое соединение, необходимое для его роста (в соответствии с определением IUPAC). Ауксотроф – это организм, проявляющий эту характеристику; ауксотрофный – соответствующее прилагательное. Ауксотрофия является противоположностью прототрофии, которая характеризуется способностью синтезировать все соединения, необходимые для роста. Прототрофные клетки (также называемые «диким типом») являются самодостаточными производителями всех необходимых метаболитов (например, аминокислот, липидов, кофакторов), в то время как ауксотрофы нуждаются в среде, содержащей метаболит, который они не могут производить. Например, если клетку называют метионин-ауксотрофной, это означает, что для её размножения необходима среда, содержащая метионин. В данном случае это связано с неспособностью клетки самостоятельно синтезировать метионин (метионин-ауксотроф). Однако прототроф или метионин-прототрофная клетка способна функционировать и размножаться как на среде, содержащей метионин, так и без него. Репликация – это метод переноса колоний с одной чашки Петри на другую, сохраняя их расположение, чтобы можно было сравнить рост на разных средах. Он используется для сравнения роста одних и тех же колоний на различных средах, чтобы определить, в каких условиях бактериальная колония может или не может расти (что даёт представление о возможных ауксотрофных характеристиках). Метод репликации, разработанный Джошуа Ледербергом и Эстер Ледерберг, включал ауксотрофы, чувствительные к температуре, то есть их способность к синтезу зависела от температуры. (Обычно ауксотрофы не зависят от температуры, но могут зависеть от других факторов.) Также возможно, что организм является ауксотрофным по отношению к более чем одному органическому соединению, необходимому для его роста.

Генетика

В генетике штамм считается ауксотрофным, если он несет мутацию, лишающую его способности синтезировать необходимое соединение. Например, мутант дрожжей с инактивированным геном, кодирующим фермент пути синтеза урацила, является урацил-ауксотрофом (например, если ген оротидин-5'-фосфат декарбоксилазы дрожжей инактивирован, полученный штамм будет урацил-ауксотрофом). Такой штамм не способен самостоятельно синтезировать урацил и сможет расти только при наличии урацила в среде. Это противоположно урацил-прототрофу, или, в данном случае, дикому типу штамма, который способен расти и без урацила. Ауксотрофные генетические маркеры широко используются в молекулярной генетике; они стали известны благодаря работе Бидла и Татума, удостоенной Нобелевской премии, по гипотезе «один ген – один фермент», которая установила связь между мутациями генов и мутациями белков. Это позволяет проводить картирование биосинтетических или биохимических путей, что помогает определить, какие ферменты мутировали и стали нефункциональными в изучаемых ауксотрофных штаммах бактерий.

Испытание на мутагенность (или испытание на Амеса)

В тесте на мутагенность сальмонелл (тест Амеса) используются несколько штаммов Salmonella typhimurium, ауксотрофных по гистидину, для определения способности химического вещества вызывать мутации, наблюдая за их ауксотрофными свойствами в ответ на добавление химического соединения. Мутагенность вещества или соединения измеряется путем нанесения его на бактерии на чашку Петри, содержащую гистидин, с последующим переносом бактерий на новую чашку Петри, не содержащую достаточного количества гистидина для поддержания роста. Если вещество не вызывает мутацию генома бактерии из ауксотрофного состояния по гистидину обратно в прототрофное состояние по гистидину, то рост бактерий на новой чашке Петри не будет наблюдаться. Таким образом, сравнивая соотношение количества бактерий на новой и старой чашках Петри, а также аналогичное соотношение для контрольной группы, можно количественно оценить мутагенность вещества, то есть вероятность возникновения мутаций в ДНК. Химическое вещество считается дающим положительный результат в тесте Амеса, если оно вызывает мутации, увеличивающие наблюдаемую частоту обратных мутаций, и отрицательный результат – если результат сопоставим с контрольной группой. Ожидается нормальное, но небольшое количество ревертантных колоний при высеве ауксотрофных бактерий на среду без необходимого им метаболита, поскольку существует вероятность обратной мутации в прототрофный вариант. Вероятность этого низкая, поэтому формируются очень маленькие колонии. Однако, при добавлении мутагенного вещества количество ревертантов заметно увеличивается. По сути, тест Амеса считается положительным, если вещество повышает вероятность мутации в ДНК бактерий настолько, чтобы вызвать количественно определяемую разницу в количестве ревертантов на чашке Петри с мутагеном и на чашке Петри контрольной группы. Отрицательный тест Амеса означает, что предполагаемый мутаген не вызвал увеличения количества ревертантов, а положительный тест Амеса указывает на то, что предполагаемый мутаген повысил вероятность мутации. Эти мутагенные эффекты на бактериях исследуются как возможный индикатор аналогичных эффектов на более крупных организмах, таких как люди. Предполагается, что если мутация может возникнуть в бактериальной ДНК в присутствии мутагена, то аналогичный эффект может произойти и в более крупных организмах, приводя к развитию рака.

Методы, основанные на аксотрофии, для включения неестественных аминокислот в белки и протеомы

Большое количество неестественных аминокислот, схожих по форме, размеру и химическим свойствам со своими каноническими аналогами, вводятся в рекомбинантные белки с использованием ауксотрофных экспрессионных хозяев. Например, ауксотрофные штаммы Escherichia coli, требующие метионин (Met) или триптофан (Trp), можно культивировать в определенной минимальной среде. В такой экспериментальной установке возможно экспрессировать рекомбинантные белки, в которых канонические остатки Trp и Met полностью замещены различными аналогами, добавленными в среду. Эта методология открывает новый подход к протеиновой инженерии, который реализуется не путем манипулирования кодонами на уровне ДНК (например, олигонуклеотидного направленного мутагенеза), а путем перераспределения кодонов на уровне трансляции белка под действием эффективного селективного давления. Поэтому метод получил название включение под селективным давлением (SPI). Ни один из изученных организмов не кодирует аминокислоты, отличные от двадцати канонических; две дополнительные канонические аминокислоты (селеноцистеин, пирролизин) включаются в белки путем перекодирования сигналов прекращения трансляции. Этот предел может быть преодолен посредством адаптивной лабораторной эволюции метаболически стабильных ауксотрофных микробных штаммов. Например, первая успешная попытка эволюционировать Escherichia coli, способную выживать исключительно на неестественной аминокислоте тиено[3,2-b]пирролил)аланине в качестве единственной замены триптофана, была предпринята в 2015 году.

В популярной культуре

В фильме "Парк Юрского периода" 1993 года (основанном на одноименном романе Майкла Крайтона 1990 года) показаны динозавры, которых генетически модифицировали так, чтобы они не могли вырабатывать аминокислоту лизин. Это было известно как "лизиновая страховка" и должно было предотвратить выживание клонированных динозавров за пределами парка, делая их зависимыми от добавок лизина, предоставляемых ветеринарной службой парка. На самом деле, ни одно животное не способно самостоятельно производить лизин (это незаменимая аминокислота).