AUXOTROPH: HERKUNFT, BEISPIEL UND ANWENDUNGEN - BIOLOGIE - 2025

Ein Auxotroph ist ein Mikroorganismus, der nicht in der Lage ist, eine bestimmte Art von Nährstoff oder organischer Komponente zu synthetisieren, die für das Wachstum des Individuums wesentlich ist. Daher kann sich dieser Stamm nur vermehren, wenn der Nährstoff dem Kulturmedium zugesetzt wird. Dieser Nährstoffbedarf ist das Ergebnis einer Mutation im genetischen Material.

Diese Definition gilt im Allgemeinen für bestimmte Bedingungen. Zum Beispiel sagen wir, dass der Organismus für Valin auxotrop ist, was darauf hinweist, dass das betreffende Individuum diese Aminosäure benötigt, um im Kulturmedium angewendet zu werden, da es nicht in der Lage ist, sie selbst zu produzieren.

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Auf diese Weise können wir zwei Phänotypen unterscheiden: "die Mutante", die dem Valin-Auxotroph entspricht - unter Berücksichtigung unseres vorherigen hypothetischen Beispiels, obwohl es ein Auxotroph für jeden Nährstoff sein kann - und "das Original" oder Wild, das das korrekt synthetisieren kann Aminosäure. Letzteres wird als Prototroph bezeichnet.

Auxotrophie wird durch eine bestimmte Mutation verursacht, die zum Verlust der Fähigkeit führt, ein Element wie eine Aminosäure oder eine andere organische Komponente zu synthetisieren.

In der Genetik ist eine Mutation eine Änderung oder Modifikation der DNA-Sequenz. Im Allgemeinen inaktiviert die Mutation ein Schlüsselenzym auf einem Syntheseweg.

Wie entstehen auxotrophe Organismen?

Im Allgemeinen benötigen Mikroorganismen eine Reihe essentieller Nährstoffe für ihr Wachstum. Ihr Mindestbedarf ist immer eine Kohlenstoffquelle, eine Energiequelle und verschiedene Ionen.

Organismen, die zusätzliche Nährstoffe zu den Grundnährstoffen benötigen, sind Auxotrophe für diese Substanz und werden durch Mutationen in der DNA verursacht.

Nicht alle Mutationen, die im genetischen Material eines Mikroorganismus auftreten, beeinträchtigen seine Fähigkeit, gegen einen bestimmten Nährstoff zu wachsen.

Eine Mutation kann auftreten und hat keinen Einfluss auf den Phänotyp des Mikroorganismus - diese werden als stille Mutationen bezeichnet, da sie die Sequenz des Proteins nicht verändern.

Somit beeinflusst die Mutation ein ganz bestimmtes Gen, das für ein essentielles Protein eines Stoffwechselweges kodiert, der eine essentielle Substanz für den Körper synthetisiert. Die erzeugte Mutation muss das Gen inaktivieren oder das Protein beeinflussen.

Es betrifft im Allgemeinen Schlüsselenzyme. Die Mutation muss eine Änderung in der Sequenz einer Aminosäure hervorrufen, die die Struktur des Proteins signifikant verändert und somit seine Funktionalität eliminiert. Es kann auch das aktive Zentrum des Enzyms beeinflussen.

Beispiele in

S. cerevisiae ist ein einzelliger Pilz, der im Volksmund als Bierhefe bekannt ist. Es wird zur Herstellung von essbaren Produkten für den Menschen wie Brot und Bier verwendet.

Aufgrund seiner Nützlichkeit und seines leichten Wachstums im Labor ist es eines der am häufigsten verwendeten biologischen Modelle, weshalb bekannt ist, dass bestimmte Mutationen die Ursache für Auxotrophie sind.

Auxotrophe für Histidin

Histidin (in der Ein-Buchstaben-Nomenklatur als H und in Drei-Buchstaben als His abgekürzt) ist eine der 20 Aminosäuren, aus denen Proteine ​​bestehen. Die R-Gruppe dieses Moleküls besteht aus einer positiv geladenen Imidazolgruppe.

Obwohl es sich bei Tieren, einschließlich Menschen, um eine essentielle Aminosäure handelt - das heißt, sie können sie nicht synthetisieren und müssen sie über die Nahrung einbauen -, haben Mikroorganismen die Fähigkeit, sie zu synthetisieren.

Das HIS3-Gen in dieser Hefe codiert das Enzym Imidazolglycerinphosphatdehydrogenase, das am Syntheseweg der Aminosäure Histidin beteiligt ist.

Mutationen in diesem Gen (his3 ^- ) führen zu einer Histidin-Auxotrophie. Somit können sich diese Mutanten in einem Medium ohne Nährstoff nicht vermehren.

Auxotrophe für Tryptophan

In ähnlicher Weise ist Tryptophan eine hydrophobe Aminosäure, die eine Indolgruppe als R-Gruppe aufweist. Wie die vorherige Aminosäure muss sie in die Ernährung von Tieren aufgenommen werden, aber Mikroorganismen können sie synthetisieren.

Das TRP1-Gen kodiert für das Enzym Phosphoribosylanthranilat-Isomerase, das am anabolen Tryptophan-Weg beteiligt ist. Wenn eine Änderung in diesem Gen auftritt, wird eine trp1 - Mutation erhalten ^- die den Körper deaktiviert die Aminosäure zu synthetisieren.

Auxotrophe für Pyrimidine

Pyrimidine sind organische Verbindungen, die Teil des genetischen Materials lebender Organismen sind. Insbesondere kommen sie in stickstoffhaltigen Basen vor, die Teil von Thymin, Cytosin und Uracil sind.

In diesem Pilz kodiert das URA3-Gen für das Enzym Orotidin-5'-phosphat-Decarboxylase. Dieses Protein ist dafür verantwortlich, einen Schritt in der De-novo-Synthese von Pyrimidinen zu katalysieren. Daher verursachen die Mutationen, die dieses Gen beeinflussen, eine Uridin- oder Uracil-Auxotrophie.

Uridin ist eine Verbindung, die aus der Vereinigung des Uracils auf Stickstoffbasis mit einem Ribosering resultiert. Beide Strukturen sind durch eine glykosidische Bindung verbunden.

Anwendungen

Auxotrophie ist ein sehr nützliches Merkmal in mikrobiologischen Studien zur Auswahl von Organismen im Labor.

Das gleiche Prinzip kann auf Pflanzen angewendet werden, bei denen durch Gentechnik ein auxotrophes Individuum erzeugt wird, entweder für Methionin, Biotin, Auxin usw.

Anwendung in der Gentechnik

Auxotrophe Mutanten werden häufig in Labors verwendet, in denen gentechnische Protokolle durchgeführt werden. Eines der Ziele dieser molekularen Praktiken ist die Anweisung eines Plasmids, das vom Forscher in einem prokaryotischen System konstruiert wurde. Dieses Verfahren ist als "Auxotrophie-Komplementation" bekannt.

Ein Plasmid ist ein für Bakterien typisches zirkuläres DNA-Molekül, das sich unabhängig repliziert. Plasmide können nützliche Informationen enthalten, die vom Bakterium verwendet werden, beispielsweise Resistenz gegen ein Antibiotikum oder ein Gen, das es ihm ermöglicht, einen interessierenden Nährstoff zu synthetisieren.

Forscher, die ein Plasmid in ein Bakterium einführen möchten, können einen auxotrophen Stamm für einen bestimmten Nährstoff verwenden. Die für die Synthese des Nährstoffs notwendige genetische Information wird im Plasmid kodiert.

Auf diese Weise wird ein Minimalmedium hergestellt (das nicht den Nährstoff enthält, den der Mutantenstamm nicht synthetisieren kann) und die Bakterien werden mit dem Plasmid ausgesät.

Nur Bakterien, die diesen Teil der Plasmid-DNA enthalten, können im Medium wachsen, während Bakterien, die das Plasmid nicht einfangen konnten, an einem Mangel an Nährstoffen sterben.

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