التغذية الذاتية

في علم الوراثة ، يُقال عن سلالة ما أنها ذاتية التغذية إذا كانت تحمل طفرة تجعلها غير قادرة على تصنيع مركب أساسي. على سبيل المثال، تُعتبر طفرة الخميرة التي تحمل جينًا مُعطلًا لمسار تصنيع اليوراسيل ذاتية التغذية لليوراسيل (على سبيل المثال، إذا تم تعطيل جين ديكاربوكسيلاز أوروتيدين 5'-فوسفات في الخميرة ، فإن السلالة الناتجة تكون ذاتية التغذية لليوراسيل). لا تستطيع هذه السلالة تصنيع اليوراسيل، ولن تتمكن من النمو إلا إذا تم امتصاص اليوراسيل من البيئة. وهذا عكس السلالة ذاتية التغذية لليوراسيل، أو في هذه الحالة السلالة البرية ، التي لا تزال قادرة على النمو في غياب اليوراسيل. تُستخدم المؤشرات الجينية ذاتية التغذية بكثرة في علم الوراثة الجزيئية ؛ وقد اشتهر استخدامها في عمل بيدل وتاتوم الحائز على جائزة نوبل حول فرضية الجين الواحد - الإنزيم الواحد ، والتي تربط طفرات الجينات بطفرات البروتينات. وهذا يسمح برسم خرائط المسارات الحيوية أو الكيميائية الحيوية التي يمكن أن تساعد في تحديد الإنزيم أو الإنزيمات التي تعرضت للطفرات والخلل الوظيفي في سلالات البكتيريا ذاتية التغذية قيد الدراسة. ^{[ 2 ]}

استخدم الباحثون سلالات من بكتيريا الإشريكية القولونية التي تعاني من نقص في بعض الأحماض الأمينية لإدخال نظائر غير طبيعية من الأحماض الأمينية في البروتينات . على سبيل المثال، يمكن زراعة الخلايا التي تعاني من نقص في حمض الفينيل ألانين الأميني في أوساط غذائية مضاف إليها نظير مثل بارا-أزيدو فينيل ألانين.

العديد من الكائنات الحية، بما في ذلك البشر، هي كائنات تعتمد على التغذية الذاتية لفئات كبيرة من المركبات اللازمة للنمو ويجب أن تحصل على هذه المركبات من خلال النظام الغذائي (انظر الفيتامينات ، والمغذيات الأساسية ، والأحماض الأمينية الأساسية ، والأحماض الدهنية الأساسية ).

يرتبط النمط المعقد لتطور نقص الفيتامينات عبر شجرة الحياة حقيقية النواة ارتباطًا وثيقًا بالترابط بين الكائنات الحية. ^{[ 5 ]}

يستخدم اختبار الطفرات في السالمونيلا ( اختبار أميس ) سلالات متعددة من بكتيريا السالمونيلا التيفية، التي تعتمد على الهيستيدين في غذائها ، لاختبار قدرة مادة كيميائية معينة على إحداث طفرات ، وذلك من خلال مراقبة خاصية اعتمادها على الهيستيدين استجابةً لإضافة مركب كيميائي. ^{[ 6 ]} تُقاس الطفرة التي تُحدثها المادة الكيميائية أو المركب بتطبيقها على البكتيريا في طبق يحتوي على الهيستيدين، ثم نقل البكتيريا إلى طبق جديد لا يحتوي على كمية كافية من الهيستيدين لاستمرار نموها. إذا لم تُحدث المادة طفرة في جينوم البكتيريا من حالة الاعتماد على الهيستيدين إلى حالة الاعتماد عليه، فلن تنمو البكتيريا في الطبق الجديد. لذا، بمقارنة نسبة البكتيريا في الطبق الجديد إلى نسبتها في الطبق القديم، ومقارنة النسبة نفسها في مجموعة التحكم، يُمكن تحديد مدى قدرة المادة على إحداث الطفرات، أو بالأحرى، مدى احتمالية تسببها في طفرات في الحمض النووي. ^{[ 7 ]} يُعتبر اختبار أميس إيجابيًا إذا تسبب في طفرات تزيد من معدل العودة الملحوظ، وسلبيًا إذا كان مشابهًا لمجموعة التحكم. من المتوقع وجود عدد طبيعي، وإن كان قليلًا، من مستعمرات البكتيريا العائدة عند زرع بكتيريا ذاتية التغذية على وسط غذائي خالٍ من المستقلب الذي تحتاجه، لأنها قد تتحول إلى بكتيريا ذاتية التغذية. احتمالية حدوث ذلك ضئيلة، ولذلك تتكون مستعمرات صغيرة جدًا. مع ذلك، إذا أُضيفت مادة مطفرة، فسيكون عدد المستعمرات العائدة أعلى بشكل ملحوظ مقارنةً بالحالة التي لم تُضَف فيها المادة المطفرة. باختصار، يُعتبر اختبار أميس إيجابيًا إذا زادت المادة من احتمالية حدوث طفرة في الحمض النووي للبكتيريا بما يكفي لإحداث فرق كمي في عدد المستعمرات العائدة بين طبق المادة المطفرة وطبق مجموعة التحكم. تعني نتيجة اختبار أميس السلبية أن المادة المطفرة المحتملة لم تُسبب زيادة في عدد المستعمرات العائدة، بينما تعني نتيجة اختبار أميس الإيجابية أن المادة المطفرة المحتملة زادت من احتمالية حدوث الطفرة. تُجرى أبحاث حول هذه التأثيرات المُطفرة على البكتيريا كمؤشر محتمل لتأثيرات مماثلة على الكائنات الحية الأكبر حجمًا، كالبشر. ويُقترح أنه إذا أمكن حدوث طفرة في الحمض النووي البكتيري بوجود مُطفر، فإن التأثير نفسه سيحدث في الكائنات الحية الأكبر حجمًا مُسببًا السرطان. ^{[ 6 ]} قد تشير نتيجة اختبار أميس السلبية إلى أن المادة ليست مُطفرة ولن تُسبب تكوّن أورام في الكائنات الحية. ومع ذلك، اعتُبرت بعض المواد الكيميائية التي أظهرت نتائج إيجابية في اختبار أميس غير ذات أهمية عند اختبارها على الكائنات الحية الأكبر حجمًا، ولكن لم يُمكن ربط نتيجة اختبار أميس الإيجابية للبكتيريا بشكل قاطع بظهور السرطان في الكائنات الحية الأكبر حجمًا. وبينما يُمكن أن يكون هذا الاختبار مُحددًا مُحتملًا للأورام في الكائنات الحية، كالبشر والحيوانات وغيرها، إلا أنه لا بد من إجراء المزيد من الدراسات للوصول إلى استنتاج نهائي ^{.8 ]}

يُدخل عدد كبير من الأحماض الأمينية غير الطبيعية، المشابهة لنظائرها التقليدية في الشكل والحجم والخواص الكيميائية، في البروتينات المؤتلفة باستخدام مضيفات التعبير ذاتية التغذية. ^{[ 9 ]} على سبيل المثال، يمكن زراعة سلالات الإشريكية القولونية ذاتية التغذية للميثيونين (Met) أو التربتوفان (Trp) في وسط غذائي محدد. في هذا الإعداد التجريبي، يُمكن التعبير عن بروتينات مؤتلفة استُبدلت فيها بقايا التربتوفان والميثيونين التقليدية تمامًا بنظائر ذات صلة مُضافة إلى وسط غذائي مختلف. ^{[ 10 ]} تُؤدي هذه المنهجية إلى شكل جديد من هندسة البروتين، لا يتم عن طريق التلاعب بالكودونات على مستوى الحمض النووي (مثل الطفرات الموجهة بالأوليغونوكليوتيدات)، بل عن طريق إعادة تعيين الكودونات على مستوى ترجمة البروتين تحت ضغط انتقائي فعال. ^{[ 11 ]} لذلك، يُشار إلى هذه الطريقة باسم دمج الضغط الانتقائي (SPI). ^{[ 12 ]}

لم يُشفّر أي كائن حي دُرِسَ حتى الآن أحماضًا أمينية أخرى غير الأحماض الأمينية العشرين الأساسية؛ إذ يُضاف حمضان أمينيان أساسيان إضافيان ( سيلينوسيستين ، بيروليسين ) إلى البروتينات عن طريق إعادة ترميز إشارات إنهاء الترجمة. ويمكن تجاوز هذا الحد من خلال التطور المختبري التكيفي لسلالات ميكروبية ذاتية التغذية مستقرة أيضيًا. فعلى سبيل المثال، أُجريت أول محاولة ناجحة بوضوح لتطوير بكتيريا الإشريكية القولونية التي يمكنها البقاء على قيد الحياة بالاعتماد فقط على الحمض الأميني غير الطبيعي (ثينو[3,2-ب]بيروليل) ألانين كبديل وحيد للتريبتوفان في عام 2015. ^{[ 13 ]}