栄養要求性

遺伝学において、必須化合物を合成できなくなるような突然変異を持つ株は、栄養要求性であると言われます。例えば、ウラシル合成経路遺伝子が不活性化された酵母変異株は、ウラシル栄養要求性株です（例えば、酵母のオロチジン5'-リン酸デカルボキシラーゼ遺伝子が不活性化された場合、結果として生じる株はウラシル栄養要求性株となります）。このような株はウラシルを合成できず、環境からウラシルを取り込むことができれば増殖できます。これは、ウラシルが存在しない場合でも増殖できるウラシル非栄養性株、つまりこの場合は野生型株とは正反対です。栄養要求性遺伝子マーカーは分子遺伝学でよく用いられます。遺伝子の突然変異とタンパク質の突然変異を結びつけた、ビードルとテイタムのノーベル賞受賞研究である「一遺伝子一酵素仮説」でも有名です。これにより、生合成経路や生化学経路のマッピングが可能になり、研究対象の細菌の栄養要求性株においてどの酵素が変異して機能不全になっているかを特定するのに役立ちます。^{[ 2 ]}

研究者たちは、特定の必須アミノ酸を要求する大腸菌株を用いて、非天然アミノ酸類似体をタンパク質に導入してきた。例えば、フェニルアラニンを要求する細胞は、パラアジドフェニルアラニンなどの類似体を添加した培地で培養することができる。

人間を含む多くの生物は、成長に必要な多くの化合物群に対して栄養要求性であり、食事を通してこれらの化合物を摂取しなければなりません（ビタミン、必須栄養素、必須アミノ酸、必須脂肪酸を参照）。

真核生物の生命の樹全体にわたるビタミン要求性の複雑な進化パターンは、生物間の相互依存性と密接に関連している。^{[ 5 ]}

サルモネラ菌突然変異試験（エイムズ試験）は、ヒスチジン要求性のサルモネラ・チフィムリウムの複数の株を用いて、添加された化学物質に対する反応としてその要求性の性質を観察することにより、特定の化学物質が突然変異を引き起こすかどうかを試験します。 ^{[ 6 ]}化学物質または化合物が引き起こす突然変異は、ヒスチジンを含むプレート上の細菌にその物質を適用し、その後、細菌を継続的な増殖に十分なヒスチジンを含まない新しいプレートに移すことによって測定されます。物質が細菌のゲノムをヒスチジン要求性からヒスチジン非要求性に突然変異させない場合、細菌は新しいプレート上で増殖を示しません。したがって、新しいプレート上の細菌と古いプレート上の細菌の比率、および対照群の同じ比率を比較することにより、物質の突然変異誘発性、つまり、DNAに突然変異を引き起こす可能性を定量化することができます。^{[ 7 ]}化学物質が観察された復帰率を増加させる突然変異を引き起こす場合、エイムズ試験は陽性とみなされ、対照群と同様の状態を示す場合は陰性とみなされます。栄養要求性細菌を必要な代謝産物を含まない培地に播種すると、原栄養性に戻る可能性があるため、正常ではあるものの少数の復帰コロニーが予想されます。この可能性は低いため、非常に小さなコロニーが形成されます。しかし、変異原性物質が添加されると、復帰コロニーの数は変異原性物質がない場合よりも明らかに多くなります。基本的に、エイムズ試験は、物質が細菌のDNAの突然変異の可能性を十分に増加させ、変異原プレートと対照群プレートの復帰コロニーに定量化可能な差が生じる場合に陽性とみなされます。エイムズ試験が陰性とは、可能性のある変異原が復帰コロニーの増加を引き起こさなかったことを意味し、エイムズ試験が陽性とは、可能性のある変異原が突然変異の可能性を増加させたことを意味します。細菌に対するこれらの変異原性効果は、ヒトなどのより大きな生物に対する同様の効果の可能性のある指標として研究されています。変異原の存在下で細菌のDNAに突然変異が生じる可能性があるならば、より大きな生物にも同じ効果が生じ、癌を引き起こす可能性があると考えられています。^{[ 6 ]}エイムズ試験で陰性であれば、その物質は変異原ではなく、生物に腫瘍形成を引き起こさないことを示唆する可能性があります。しかし、エイムズ試験で陽性となった化学物質のうち、より大きな生物で試験した際に重要でないとみなされたものはごくわずかであり、細菌に対するエイムズ試験の陽性結果は、より大きな生物における癌の発現と決定的に結び付けられていません。これは、ヒト、動物などの生物における腫瘍の可能性のある決定要因である可能性がありますが、結論を出すには、さらに多くの研究を完了する必要があります。^{[8 ]}

形状、サイズ、化学的性質が標準アミノ酸に類似した多数の非天然アミノ酸が、栄養要求性発現宿主を介して組換えタンパク質に導入される。^{[ 9 ]}例えば、メチオニン（Met）またはトリプトファン（Trp）栄養要求性大腸菌株は、規定最小培地で培養することができる。この実験設定では、標準TrpおよびMet残基が、異なる培地添加関連アナログで完全に置換された組換えタンパク質を発現することが可能である。^{[ 10 ]}この方法論は、DNAレベルでのコドン操作（例えば、オリゴヌクレオチド指向性変異誘発）ではなく、効率的な選択圧下でのタンパク質翻訳レベルでのコドン再割り当てによって行われる、新しい形態のタンパク質工学につながる。 ^{[ 11 ]}したがって、この方法は選択圧導入（SPI）と呼ばれる。^{[ 12 ]}

これまでに研究された生物は、標準的な20種類のアミノ酸以外のアミノ酸をコードしていません。2種類の追加の標準アミノ酸（セレノシステイン、ピロリシン）は、翻訳終結シグナルを再コード化することによってタンパク質に挿入されます。この境界は、代謝的に安定な栄養要求性微生物株の適応的実験室進化によって越えることができます。たとえば、トリプトファンの唯一の代替物として非天然アミノ酸であるチエノ[3,2-b]ピロリル)アラニンのみで生存できる大腸菌を進化させる最初の明確な成功例は、2015年に行われました。^{[ 13 ]}