ภาวะออโซโทรฟี การขาดความสามารถในการสังเคราะห์สารอาหารจำเป็น

ภาวะออโซโทรฟี (Auxotrophy) มาจากภาษากรีกโบราณ αὐξάνω (เพิ่มขึ้น) และ τροφή (อาหาร) หมายถึง สภาวะที่สิ่งมีชีวิตไม่สามารถสังเคราะห์สารประกอบอินทรีย์บางชนิดที่จำเป็นต่อการเจริญเติบโตได้ด้วยตนเอง ตามคำจำกัดความของ IUPAC สิ่งมีชีวิตที่มีลักษณะนี้เรียกว่า ออโซโทรฟ์ (Auxotroph) ซึ่งเป็นขั้วตรงข้ามกับ โปรโตโทรฟ์ (Prototroph) หรือภาวะโปรโตโทรฟี (Prototrophy) ซึ่งเป็นความสามารถในการสังเคราะห์สารประกอบทุกชนิดที่จำเป็นต่อการเจริญเติบโตได้เองอย่างครบถ้วน

กลไกและความแตกต่างทางชีวภาพ

เซลล์ที่เป็นโปรโตโทรฟ์จะมีความสามารถในการผลิตเมแทบอไลต์ (Metabolites) ที่จำเป็นทั้งหมด เช่น กรดอะมิโน ลิพิด และโคแฟกเตอร์ ได้ด้วยตนเอง ในขณะที่ออโซโทรฟ์จำเป็นต้องอาศัยอาหารเลี้ยงเชื้อที่มีสารเมแทบอไลต์ชนิดที่ตนเองไม่สามารถผลิตได้ เพื่อให้สามารถดำรงชีวิตและเจริญเติบโตต่อไปได้

ตัวอย่างเช่น เซลล์ที่มีภาวะออโซโทรฟีต่อเมไทโอนีน (Methionine auxotrophic cell) จะสามารถเจริญเติบโตได้เฉพาะในอาหารเลี้ยงเชื้อที่มีเมไทโอนีนผสมอยู่เท่านั้น หากขาดสารนี้เซลล์จะหยุดการเจริญเติบโตและตายในที่สุด ในทางกลับกัน เซลล์ที่เป็นโปรโตโทรฟ์ต่อเมไทโอนีนจะสามารถเจริญเติบโตและแบ่งตัวได้ไม่ว่าจะอยู่ในอาหารที่มีหรือไม่มีเมไทโอนีนก็ตาม

เทคนิคการเพาะเลี้ยงแบบจำลอง (Replica Plating)

การเพาะเลี้ยงแบบจำลองเป็นเทคนิคที่ใช้ในการถ่ายโอนโคโลนีของจุลินทรีย์จากจานเพาะเชื้อหนึ่งไปยังอีกจานหนึ่งในตำแหน่งเดิม เพื่อเปรียบเทียบการเจริญเติบโตบนอาหารเลี้ยงเชื้อที่แตกต่างกัน วิธีนี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ระบุได้ว่าโคโลนีของแบคทีเรียชนิดใดมีลักษณะเป็นออโซโทรฟ์ต่อสารอาหารชนิดใด

เทคนิคที่พัฒนาโดย Joshua Lederberg และ Esther Lederberg พบว่าออโซโทรฟ์บางชนิดมีความไวต่ออุณหภูมิ (Temperature-sensitive) ซึ่งหมายความว่าความสามารถในการสังเคราะห์สารอาหารจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่เหมาะสม นอกจากนี้ สิ่งมีชีวิตหนึ่งชนิดอาจมีภาวะออโซโทรฟีต่อสารประกอบอินทรีย์หลายชนิดพร้อมกันได้

การประยุกต์ใช้ในทางวิทยาศาสตร์

ด้านพันธุศาสตร์และชีวเคมี

ในทางพันธุศาสตร์ สายพันธุ์ที่ถูกเรียกว่าออโซโทรฟ์มักเกิดจากการกลายพันธุ์ (Mutation) ที่ทำให้ยีนซึ่งควบคุมการสังเคราะห์สารจำเป็นบางอย่างไม่ทำงาน ตัวอย่างเช่น ยีสต์ที่มียีนในเส้นทางการสังเคราะห์ยูราซิล (Uracil synthesis pathway) บกพร่อง จะกลายเป็นยูราซิลออโซโทรฟ์ ซึ่งจะเจริญเติบโตได้ก็ต่อเมื่อได้รับยูราซิลจากสิ่งแวดล้อมภายนอกเท่านั้น

เครื่องหมายทางพันธุกรรมแบบออโซโทรฟี (Auxotrophic genetic markers) ถูกนำมาใช้ประโยชน์อย่างกว้างขวางในชีววิทยาโมเลกุล โดยเฉพาะในงานวิจัยของ Beadle และ Tatum ซึ่งนำไปสู่สมมติฐาน "หนึ่งยีน หนึ่งเอนไซม์" (One gene-one enzyme hypothesis) ซึ่งเชื่อมโยงการกลายพันธุ์ของยีนเข้ากับการเปลี่ยนแปลงของโปรตีน และช่วยในการสร้างแผนผังเส้นทางการสังเคราะห์ทางชีวเคมี

นอกจากนี้ นักวิจัยยังใช้สายพันธุ์ E. coli ที่เป็นออโซโทรฟ์ต่อกรดอะมิโนบางชนิด เพื่อนำเข้ากรดอะมิโนสังเคราะห์ (Non-natural amino acid analogues) เข้าสู่โปรตีน เช่น การใช้พารา-อะซิโดฟีนิลอะลานีน (para-azido phenylalanine) ในเซลล์ที่ขาดความสามารถในการสังเคราะห์ฟีนิลอะลานีน

ภาวะออโซโทรฟีในสิ่งมีชีวิตชั้นสูงและมนุษย์

สิ่งมีชีวิตหลายชนิด รวมถึงมนุษย์ มีภาวะออโซโทรฟีต่อสารประกอบหลายกลุ่ม ซึ่งทำให้เราต้องได้รับสารเหล่านี้ผ่านการรับประทานอาหาร สารเหล่านี้เรียกว่า สารอาหารจำเป็น (Essential nutrients) เช่น วิตามิน กรดอะมิโนจำเป็น (Essential amino acids) และกรดไขมันจำเป็น (Essential fatty acids)

การทดสอบความเป็นพิษและสารก่อกลายพันธุ์ (Ames Test)

การทดสอบเอมส์ (Ames test) เป็นวิธีการทางชีววิทยาที่ใช้ตรวจหาว่าสารเคมีชนิดใดสามารถก่อให้เกิดการกลายพันธุ์ใน DNA ได้ โดยใช้สายพันธุ์ของแบคทีเรีย Salmonella typhimurium ที่เป็นออโซโทรฟ์ต่อฮิสทิดีน (Histidine auxotrophs)

หลักการคือการนำแบคทีเรียออโซโทรฟ์เหล่านี้ไปสัมผัสกับสารเคมีที่ต้องการทดสอบบนจานเพาะเชื้อที่มีฮิสทิดีน จากนั้นย้ายไปยังจานเพาะเชื้อที่ไม่มีฮิสทิดีน หากสารเคมีนั้นมีคุณสมบัติก่อกลายพันธุ์ (Mutagenic) มันจะทำให้แบคทีเรียบางส่วนเกิดการกลายพันธุ์กลับ (Reversion) จากภาวะออโซโทรฟ์กลับไปเป็นโปรโตโทรฟ์ ทำให้แบคทีเรียเหล่านั้นสามารถเจริญเติบโตได้บนอาหารที่ไม่มีฮิสทิดีน

การเปรียบเทียบจำนวนโคโลนีที่เกิดขึ้นระหว่างกลุ่มทดลองและกลุ่มควบคุมจะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ระบุได้ว่าสารนั้นมีโอกาสก่อให้เกิดการกลายพันธุ์ใน DNA ของสิ่งมีชีวิตขนาดใหญ่ รวมถึงมนุษย์หรือไม่