COS'È UN PROTOTIPO E QUALI SONO LE SUE APPLICAZIONI? - BIOLOGIA - 2025

I prototrofi sono organismi o cellule in grado di produrre gli amminoacidi necessari per i loro processi vitali. Questo termine è generalmente utilizzato in relazione a una particolare sostanza. È l'opposto del termine auxotroph.

Quest'ultimo termine viene utilizzato per definire un microrganismo in grado di crescere e moltiplicarsi in un terreno di coltura solo se ad esso è stato aggiunto uno specifico nutriente. Nel caso del prototipo, può prosperare senza una tale sostanza perché è in grado di produrla da sé.

Semplice confronto tra auxotroph e prototroph. Tratto e modificato da: Akardoust, da Wikimedia Commons.

Un organismo o un ceppo, ad esempio, incapace di crescere in assenza di lisina, verrebbe chiamato lisina auxotrofica. Il ceppo di lisina prototrofico, da parte sua, crescerà e si riprodurrà indipendentemente dalla presenza o assenza di lisina nel terreno di coltura.

In sostanza, un ceppo auxotrofico ha perso una via metabolica funzionale che gli ha permesso di sintetizzare una sostanza fondamentale, essenziale per i suoi processi vitali.

Questa carenza è generalmente dovuta a una mutazione. La mutazione genera un allele nullo che non ha la capacità biologica di produrre una sostanza presente nel prototipo.

applicazioni

Biochimica

I marcatori genetici auxotrofici sono spesso usati nella genetica molecolare. Ogni gene contiene le informazioni che codificano per una proteina. Lo hanno dimostrato i ricercatori George Beadle e Edward Tatum, nel loro lavoro che è valso loro il Premio Nobel.

Questa specificità dei geni consente la mappatura di percorsi biosintetici o biochimici. Una mutazione di un gene porta a una mutazione di una proteina. In questo modo, si può determinare nei ceppi auxotrofi dei batteri in esame quali enzimi sono disfunzionali a causa delle mutazioni.

Un altro metodo per determinare le vie biosintetiche è l'uso di ceppi auxotrofici di amminoacidi specifici. In questi casi, la necessità dei ceppi di tali amminoacidi viene sfruttata per aggiungere analoghi amminoacidici innaturali delle proteine ​​nei terreni di coltura.

Ad esempio, sostituzione della fenilalanina con para-azido fenilalanina in colture di ceppi di Escherichia coli auxotrofici per fenilalanina.

Marcatori auxotrofici

Le mutazioni all'interno dei geni che codificano per enzimi che partecipano ai percorsi per la biosintesi delle molecole di costruzione metabolica sono utilizzate come marcatori nella stragrande maggioranza degli esperimenti genetici con il lievito.

La carenza nutrizionale causata dalla mutazione (auxotrofia) può essere compensata fornendo il nutriente richiesto nel mezzo di crescita.

Tuttavia, tale compensazione non è necessariamente quantitativa perché le mutazioni influenzano vari parametri fisiologici e possono agire sinergicamente.

Per questo motivo, sono stati condotti studi per ottenere ceppi prototrofici al fine di eliminare i marcatori auxotrofici e ridurre il bias negli studi fisiologici e metabolici.

Il test di Ames

Il test di Ames, chiamato anche test di mutagenesi della Salmonella, è stato sviluppato da Bruce N. Ames negli anni '70 per determinare se una sostanza chimica è un mutageno.

Si basa sul principio della mutazione inversa o della mutazione posteriore. Utilizza più ceppi di Salmonella typhimurium auxotrophic all'istidina.

La capacità di una sostanza chimica di causare la mutazione viene misurata applicandola ai batteri su una piastra contenente istidina. I batteri vengono successivamente spostati su una nuova placca povera di istidina.

Se la sostanza non è mutagena, i batteri non mostrerebbero crescita sulla nuova placca. In un altro caso, i batteri auxotrofi dell'istidina muteranno nuovamente in ceppi di istidina prototrofici.

Cultura del batterio prototrofico Salmonella typhimurium. Tratto e modificato da: Sun14916, da Wikimedia Commons

Il confronto della proporzione di crescita batterica in piastre con e senza trattamento permette di quantificare il potere mutageno del composto sui batteri.

Questo possibile effetto mutageno nei batteri indica la possibilità di provocare gli stessi effetti in altri organismi, compreso l'uomo.

Si ritiene che un composto in grado di causare una mutazione nel DNA batterico possa anche essere in grado di produrre mutazioni che possono causare il cancro.

Altre applicazioni al test di Ames

Sviluppo di nuovi ceppi

Il test di Ames è stato applicato per ottenere nuovi ceppi batterici. Ad esempio, sono stati sviluppati ceppi con deficit di nitroreduttasi.

Questi ceppi vengono utilizzati per studiare il metabolismo xenobiotico e i sistemi di riparazione del DNA. Sono stati anche utili per valutare i meccanismi metabolici dei nitrogroup per la produzione di mutageni attivi, nonché i meccanismi di nitrazione dei composti genotossici.

Antimutagenesi

Il test di Ames è stato utilizzato anche come strumento per studiare e classificare gli antimutageni naturali. Gli antimutageni sono composti che possono ridurre le lesioni mutagene nel DNA, principalmente migliorando i loro sistemi di riparazione.

In questo modo, tali composti evitano le fasi iniziali dello sviluppo del cancro. Dall'inizio degli anni '80 (XX secolo), Ames et al.Hanno condotto studi per valutare la riduzione delle genotossine e il rischio di cancro attraverso una dieta ricca di antimutageni.

Hanno osservato che le popolazioni che avevano diete con alti livelli di antimutageni avevano minori rischi di sviluppare il cancro gastroenterico.

Il test di Ames è stato ampiamente utilizzato per studiare vari estratti vegetali noti per ridurre la mutagenicità. Questi studi hanno anche dimostrato che i componenti delle piante non sono sempre sicuri. È stato dimostrato che molte piante commestibili hanno effetti genotossici.

Il test di Ames ha anche dimostrato di essere utile per rilevare gli effetti tossici o antimutageni di composti naturali che sono frequentemente utilizzati nella medicina alternativa.

Studi sul metabolismo genotossico

Uno dei punti deboli del test di Ames era la mancanza di attivazione metabolica dei composti genotossici. Tuttavia, questo problema è stato risolto con l'aggiunta di omogenati epatici indotti da CYP preparati da roditori.

Il CYP è un'emoproteina associata al metabolismo di varie sostanze. Questa modifica ha aggiunto nuove funzionalità al test di Ames. Ad esempio, sono stati valutati vari induttori di CYP, che hanno dimostrato che questi enzimi sono indotti da diversi tipi di composti.

Valutazione dei mutageni nei fluidi biologici

Questi test utilizzano campioni di urina, plasma e siero. Possono essere utili per valutare la formazione di composti N-nitroso in vivo da farmaci amminici.

Possono anche essere utili in studi epidemiologici su popolazioni umane esposte a mutageni professionali, abitudine al fumo e esposizione ad inquinanti ambientali.

Questi test hanno dimostrato, ad esempio, che i lavoratori esposti ai prodotti di scarto hanno livelli più elevati di mutageni urinari rispetto a quelli che hanno lavorato negli impianti di trattamento delle acque.

È anche servito a dimostrare che l'uso di guanti riduce le concentrazioni di mutageni nei fonditori esposti a composti aromatici policiclici.

Gli studi sui mutageni urinari sono anche un valido strumento per la valutazione antimutagena, poiché, ad esempio, questo test ha dimostrato che la somministrazione di vitamina C inibisce la formazione di composti N-nitroso.

Serve anche a dimostrare che il consumo di tè verde per un mese riduce la concentrazione di mutageni urinari.

Riferimenti

1. BN Ames, J. McCann, E. Yamasaki (1975). Metodi per la ricerca di agenti cancerogeni e mutageni con il test di mutagenicità su salmonella / microsomi di mammifero. Ricerca sulla mutazione / Mutagenesi ambientale e argomenti correlati.
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6. M. Mülleder, F. Capuano, P. Pir, S. Christen, U. Sauer, SG Oliver, M. Ralser (2012). Una collezione di mutanti di delezione prototrofica per la metabolomica del lievito e la biologia dei sistemi. Nature Biotechnology.