QU'EST-CE QU'UN PROTOTROPHE ET QUELLES SONT SES APPLICATIONS? - LA BIOLOGIE - 2025

Les prototrophes sont des organismes ou des cellules capables de produire les acides aminés nécessaires à leurs processus vitaux. Ce terme est généralement utilisé en relation avec une substance particulière. C'est l'opposé du terme auxotrophe.

Ce dernier terme est utilisé pour définir un microorganisme capable de croître et de se multiplier dans un milieu de culture uniquement si un nutriment spécifique lui a été ajouté. Dans le cas du prototrophe, il peut prospérer sans une telle substance car il est capable de le produire lui-même.

Comparaison simple entre auxotrophe et prototrophe. Tiré et édité de: Akardoust, de Wikimedia Commons.

Un organisme ou une souche, par exemple, incapable de se développer en l'absence de lysine, serait appelé lysine auxotrophe. La souche de lysine prototrophe, quant à elle, va croître et se reproduire indépendamment de la présence ou de l'absence de lysine dans le milieu de culture.

Fondamentalement, une souche auxotrophe a perdu une voie métabolique fonctionnelle qui lui permettait de synthétiser une substance fondamentale, essentielle à ses processus vitaux.

Cette carence est généralement due à une mutation. La mutation génère un allèle nul qui n'a pas la capacité biologique de produire une substance présente dans le prototrophe.

Applications

Biochimie

Les marqueurs génétiques auxotrophes sont souvent utilisés en génétique moléculaire. Chaque gène contient les informations qui codent pour une protéine. Cela a été démontré par les chercheurs George Beadle et Edward Tatum, dans leurs travaux qui leur ont valu le prix Nobel.

Cette spécificité des gènes permet la cartographie des voies biosynthétiques ou biochimiques. Une mutation d'un gène conduit à une mutation d'une protéine. De cette manière, il peut être déterminé dans les souches auxotrophes de la bactérie étudiée quelles enzymes sont dysfonctionnelles en raison de mutations.

Une autre méthode pour déterminer les voies de biosynthèse est l'utilisation de souches auxotrophes d'acides aminés spécifiques. Dans ces cas, le besoin des souches pour ces acides aminés est exploité pour ajouter des analogues d'acides aminés non naturels des protéines dans les milieux de culture.

Par exemple, substitution de la phénylalanine pour la para-azido phénylalanine dans les cultures de souches d'Escherichia coli auxotrophe pour la phénylalanine.

Marqueurs auxotrophes

Les mutations au sein des gènes codant pour des enzymes qui participent aux voies de biosynthèse des molécules de construction métaboliques sont utilisées comme marqueurs dans la grande majorité des expériences génétiques avec la levure.

La carence nutritionnelle causée par la mutation (auxotrophie) peut être compensée en apportant le nutriment requis dans le milieu de croissance.

Cependant, une telle compensation n'est pas nécessairement quantitative car les mutations influencent divers paramètres physiologiques et peuvent agir en synergie.

Pour cette raison, des études ont été menées pour obtenir des souches prototrophes en vue d'éliminer les marqueurs auxotrophes et de réduire les biais dans les études physiologiques et métaboliques.

Le test d'Ames

Le test d'Ames, également appelé test de mutagenèse de Salmonella, a été développé par Bruce N. Ames dans les années 1970 pour déterminer si un produit chimique est un mutagène.

Il est basé sur le principe de la mutation inverse ou de la mutation postérieure. Il utilise plusieurs souches de Salmonella typhimurium auxotrophes à l'histidine.

Le pouvoir d'un produit chimique de provoquer une mutation est mesuré en l'appliquant à des bactéries sur une plaque contenant de l'histidine. Les bactéries sont ensuite déplacées vers une nouvelle plaque pauvre en histidine.

Si la substance n'est pas mutagène, les bactéries ne présenteraient pas de croissance sur la nouvelle plaque. Dans un autre cas, les bactéries auxotrophes histidine muteront à nouveau en souches d'histidine prototrophes.

Culture de la bactérie prototrophe Salmonella typhimurium. Tiré et édité de: Sun14916, de Wikimedia Commons

La comparaison de la proportion de croissance bactérienne en plaques avec et sans traitement permet de quantifier le pouvoir mutagène du composé sur les bactéries.

Cet effet mutagène possible chez les bactéries indique la possibilité de provoquer les mêmes effets chez d'autres organismes, y compris les humains.

On pense qu'un composé qui est capable de provoquer une mutation dans l'ADN bactérien peut également être capable de produire des mutations qui peuvent provoquer le cancer.

Autres applications au test Ames

Développement de nouvelles souches

Le test d'Ames a été appliqué pour obtenir de nouvelles souches bactériennes. Par exemple, des souches déficientes en nitroreductase ont été développées.

Ces souches sont utilisées pour étudier le métabolisme xénobiotique et les systèmes de réparation de l'ADN. Ils ont également été utiles pour évaluer les mécanismes métaboliques des groupes nitrogènes pour produire des mutagènes actifs, ainsi que les mécanismes de nitration des composés génotoxiques.

Antimutagenèse

Le test d'Ames a également été utilisé comme outil pour étudier et classer les antimutagènes naturels. Les antimutagènes sont des composés qui peuvent réduire les lésions mutagènes de l'ADN, principalement en améliorant leurs systèmes de réparation.

De cette manière, ces composés évitent les étapes initiales du développement du cancer. Depuis le début des années 1980 (20e siècle), Ames et al.ont mené des études pour évaluer les réductions de génotoxines et les risques de cancer grâce à une alimentation riche en antimutagènes.

Ils ont observé que les populations qui avaient des régimes avec des niveaux élevés d'antimutagènes avaient moins de risques de développer un cancer gastro-entérique.

Le test d'Ames a été largement utilisé pour étudier divers extraits de plantes connus pour réduire la mutagénicité. Ces études ont également montré que les composants végétaux ne sont pas toujours sûrs. Il a été démontré que de nombreuses plantes comestibles ont des effets génotoxiques.

Le test d'Ames s'est également révélé utile pour détecter les effets toxiques ou antimutagènes de composés naturels fréquemment utilisés en médecine alternative.

Études du métabolisme génotoxique

L'une des faiblesses du test d'Ames était le manque d'activation métabolique des composés génotoxiques. Cependant, ce problème a été résolu par l'ajout d'homogénats de foie induits par le CYP préparés à partir de rongeurs.

Le CYP est une hémoprotéine associée au métabolisme de diverses substances. Cette modification a ajouté de nouvelles fonctionnalités au test Ames. Par exemple, un certain nombre d'inducteurs du CYP ont été évalués, montrant que ces enzymes sont induites par différents types de composés.

Évaluation des mutagènes dans les fluides biologiques

Ces tests utilisent des échantillons d'urine, de plasma et de sérum. Ils peuvent être utiles pour évaluer la formation de composés N-nitroso in vivo à partir de médicaments aminés.

Ils peuvent également être utiles dans les études épidémiologiques des populations humaines exposées à des mutagènes professionnels, aux habitudes tabagiques et à l'exposition à des polluants environnementaux.

Ces tests ont montré, par exemple, que les travailleurs exposés aux déchets ont des niveaux plus élevés de mutagènes urinaires que ceux qui travaillaient dans des installations de traitement des eaux.

Elle a également permis de démontrer que l'utilisation de gants réduit les concentrations de mutagènes chez les ouvriers de fonderie exposés à des composés aromatiques polycycliques.

Les études sur les mutagènes urinaires sont également un outil précieux pour l'évaluation antimutagène, car, par exemple, ce test a démontré que l'administration de vitamine C inhibe la formation de composés N-nitroso.

Cela a également permis de démontrer que la consommation de thé vert pendant un mois réduit la concentration de mutagènes urinaires.

Références

1. BN Ames, J. McCann, E. Yamasaki (1975). Méthodes de détection des cancérogènes et des mutagènes avec le test de mutagénicité salmonelle / mammifère-microsome. Recherche sur les mutations / mutagenèse environnementale et sujets connexes.
2. B. Arriaga-Alba, R. Montero-Montoya, JJ Espinosa (2012). Le test d'Ames au XXIe siècle. Recherche et revues: un journal de toxicologie.
3. Auxotrophie. Sur Wikipedia. Récupéré de
4. S. Benner (2001). Encyclopédie de la génétique. Presse académique.
5. F. Fröhlich, R. Christiano, TC Walther (2013). SILAC natif: Marquage métabolique des protéines dans les microorganismes prototrophes basé sur la régulation de la synthèse de la lysine. Protéomique moléculaire et cellulaire.
6. M. Mülleder, F. Capuano, P. Pir, S. Christen, U. Sauer, SG Oliver, M. Ralser (2012). Une collection de mutants de délétion prototrophes pour la métabolomique des levures et la biologie des systèmes. Biotechnologie de la nature.