Auxotrophe: origine, exemple et applications

Un auxotroph est un microorganisme qui n'est pas capable de synthétiser un certain type de nutriment ou de composé organique essentiel à la croissance dudit individu. Par conséquent, cette souche ne peut proliférer que si le nutriment est ajouté au milieu de culture. Cette exigence nutritionnelle est le résultat d'une mutation du matériel génétique.

Cette définition s'applique généralement à des conditions spécifiques. Par exemple, nous disons que l'organisme est auxotrophe pour la valine, ce qui indique que l'individu en question a besoin que cet acide aminé soit appliqué dans le milieu de culture, car il n'est pas capable de le produire par lui-même.

De cette manière, nous pouvons différencier deux phénotypes: "le mutant", qui correspond à l'auxotrophe pour la valine - en prenant en compte notre exemple hypothétique précédent, bien qu'il puisse être auxotrophe pour tout élément nutritif - et "l'original" ou sauvage, qui permet de synthétiser correctement le acide aminé Ce dernier s'appelle prototroph.

L'auxotrophie est causée par une mutation spécifique qui entraîne la perte de la capacité de synthèse d'un élément, tel qu'un acide aminé ou un autre composant organique.

En génétique, une mutation est un changement ou une modification de la séquence d'ADN. Généralement, la mutation inactive une enzyme clé dans une voie de synthèse.

Comment les organismes auxotrophes sont-ils originaires?

En général, les microorganismes ont besoin d’une série de nutriments essentiels à leur croissance. Leurs besoins minimaux sont toujours une source de carbone, une source d'énergie et divers ions.

Les organismes qui ont besoin de plus de nutriments que ceux de base sont des auxotrophes pour cette substance et sont nés de mutations dans l’ADN.

Toutes les mutations qui se produisent dans le matériel génétique d’un microorganisme n’affecteront pas sa capacité à se développer contre un nutriment particulier.

Une mutation peut se produire et cela n'a aucun effet sur le phénotype du microorganisme. Ces mutations sont appelées mutations silencieuses, car elles ne modifient pas la séquence de la protéine.

Ainsi, la mutation affecte un gène très particulier qui code pour une protéine essentielle d’une voie métabolique qui synthétise une substance essentielle pour l’organisme. La mutation générée doit inactiver le gène ou affecter la protéine.

Il affecte généralement les enzymes clés. La mutation doit produire un changement dans la séquence d'un acide aminé qui modifie de manière significative la structure de la protéine et donc sa fonctionnalité disparaît. Cela peut également affecter le site actif de l'enzyme.

Exemples dans Saccharomyces cerevisiae

S. cerevisiae est un champignon unicellulaire connu sous le nom de levure de bière. Il est utilisé pour la fabrication de produits comestibles pour l'homme tels que le pain et la bière.

Grâce à son utilité et à sa croissance facile en laboratoire, c'est l'un des modèles biologiques les plus utilisés. Il est donc connu que des mutations spécifiques sont à l'origine de l'auxotrophie.

Auxotrophes pour l'histidine

L'histidine (abréviation dans la nomenclature d'une lettre sous la forme H et de trois lettres sous la forme His) est l'un des 20 acides aminés formant les protéines. Le groupe R de cette molécule est formé par un groupe imidazole chargé positivement.

Bien que chez les animaux, y compris les humains, il s’agisse d’un acide aminé essentiel, c’est-à-dire qu’ils ne peuvent pas le synthétiser et doivent l’incorporer dans l’alimentation, les micro-organismes ont la capacité de le synthétiser.

Le gène HIS3 de cette levure code pour l'enzyme imidazolglycérol phosphate déshydrogénase, qui participe à la synthèse de l'acide aminé histidine.

Des mutations dans ce gène ( his3- ) entraînent une auxotrophie de l'histidine. Ainsi, ces mutants sont incapables de proliférer dans un milieu dépourvu de nutriment.

Auxotrophes pour le tryptophane

De même, le tryptophane est un acide aminé à caractère hydrophobe qui a pour groupe R un groupe indole. Comme l’acide aminé précédent, il doit être incorporé dans le régime alimentaire des animaux, mais les microorganismes peuvent le synthétiser.

Le gène TRP1 code pour l'enzyme phosphoribosyl anthranilate isomérase, impliquée dans la voie anabolique du tryptophane. Lorsqu'un changement dans ce gène se produit, une mutation trp1- est obtenue, ce qui rend l'organisme incapable de synthétiser l'acide aminé.

Auxotrophes pour pyrimidines

Les pyrimidines sont des composés organiques faisant partie du matériel génétique d'organismes vivants. Plus précisément, ils se trouvent dans des bases azotées, faisant partie de la thymine, de la cytosine et de l'uracile.

Dans ce champignon, le gène URA3 code pour l'enzyme orotidine-5'-phosphate décarboxylase. Cette protéine est chargée de catalyser une étape de la synthèse de novo de pyrimidines. Par conséquent, les mutations qui affectent ce gène provoquent une auxotrophie en uridine ou en uracile.

L'uridine est un composé résultant de l'union de la base azotée uracile avec un anneau de ribose. Les deux structures sont liées par une liaison glycosidique.

Les applications

Auxotrophie est une caractéristique très utile dans les études liées à la microbiologie, pour la sélection des organismes en laboratoire.

Ce même principe peut être appliqué aux plantes où, par génie génétique, un individu auxotrophe est créé, que ce soit pour la méthionine, la biotine, l'auxine, etc.

Application en génie génétique

Les mutants auxotrophes sont largement utilisés dans les laboratoires où des protocoles de génie génétique sont mis en oeuvre. L'un des objectifs de ces pratiques moléculaires est d'instruire un plasmide construit par le chercheur dans un système procaryote. Cette procédure s'appelle "complémentation auxotrophie".

Un plasmide est une molécule d'ADN circulaire, typique des bactéries, qui se réplique indépendamment. Les plasmides peuvent contenir des informations utiles utilisées par la bactérie, par exemple, la résistance à un antibiotique ou un gène lui permettant de synthétiser un nutriment d'intérêt.

Les chercheurs qui souhaitent introduire un plasmide dans une bactérie peuvent utiliser une souche auxotrophe pour un nutriment spécifique. L'information génétique nécessaire à la synthèse du nutriment est codée dans le plasmide.

De cette manière, un milieu minimal (qui ne contient pas le nutriment que la souche mutante ne peut pas synthétiser) est préparé et les bactéries sont semées avec le plasmide.

Seules les bactéries qui ont incorporé cette partie de l’ADN plasmidique pourront se développer dans le milieu, alors que les bactéries qui n’ont pas réussi à capturer le plasmide mourront faute de nutriment.