Войти
Ксенобиология (XB) - это подполе синтетической биологии, исследование синтеза и управления биологическими устройствами и системами. Название «ксенобиология» происходит от греческого слова xenos, что означает «чужой, чужой». Ксенобиология - это форма биологии, которая (пока) не известна науке и не встречается в природе. На практике он описывает новые биологические системы и биохимии, которые отличаются от канонической системы ДНК - РНК -20 аминокислот (см. центральную догму молекулярной биология ). Например, вместо ДНК или РНК XB исследует аналоги нуклеиновых кислот, называемые ксенонуклеиновой кислотой (XNA) в качестве носителей информации. Он также фокусируется на расширенном генетическом коде и включении не- протеиногенных аминокислот в белки.
«Astro» означает «звезда», а «exo» означает «снаружи». И экзо-, и астробиология занимаются поиском естественно возникшей жизни во Вселенной, в основном на других планетах в околозвездной обитаемой зоне. (Их также иногда называют ксенобиологией.) В то время как астробиологи занимаются обнаружением и анализом жизни в других частях Вселенной, ксенобиология пытается конструировать формы жизни с другой биохимией или иным генетическим кодом, чем на планета Земля.
В ксенобиологии цель состоит в разработке и конструировании биологических систем, которые отличаются от своих естественных аналогов в одном или более фундаментальные уровни. В идеале эти новички в природе были бы разными во всех возможных биохимических аспектах, демонстрируя совершенно другой генетический код. Долгосрочная цель - сконструировать клетку, которая будет хранить свою генетическую информацию не в ДНК, а в альтернативном информационном полимере, состоящем из ксенонуклеиновых кислот (XNA), различных пар оснований, с использованием неканонических аминокислот и измененного генетического кода. До сих пор были сконструированы ячейки, которые включают только одну или две из этих функций.
Первоначально это исследование альтернативных форм ДНК было вызвано вопросом о том, как жизнь развивалась на Земле и почему РНК и ДНК были выбраны (химической) эволюцией над другие возможные структуры нуклеиновых кислот. Две гипотезы для выбора РНК и ДНК в качестве основы жизни: либо они предпочтительны при жизни в условиях Земли, либо они случайно присутствовали в химии дожизненных людей и продолжают использоваться сейчас. Систематические экспериментальные исследования, направленные на диверсификацию химической структуры нуклеиновых кислот, привели к созданию совершенно новых информационных биополимеров. К настоящему времени синтезирован ряд XNA с новыми химическими основами или уходящей группой ДНК, например: гексозная нуклеиновая кислота (HNA); треозная нуклеиновая кислота (TNA), гликолевая нуклеиновая кислота (GNA), циклогексенилнуклеиновая кислота (CeNA). Включение XNA в плазмиду, включающую 3 кодона HNA, было выполнено уже в 2003 году. Эта XNA используется in vivo (E coli) в качестве матрицы для синтеза ДНК. Это исследование с использованием бинарной (G / T) генетической кассеты и двух оснований, не относящихся к ДНК (Hx / U), было распространено на CeNA, в то время как GNA кажется слишком чужеродным на данный момент для использования естественной биологической системы в качестве матрицы. для синтеза ДНК. Расширенные основания, использующие основную цепь природной ДНК, также могут быть транслитерированы в природную ДНК, хотя и в более ограниченной степени.
Помимо использования в качестве расширений цепей матричной ДНК, активность XNA была протестирована для использования в качестве генетической катализаторы. Хотя белки являются наиболее частыми компонентами клеточной ферментативной активности , нуклеиновые кислоты также используются в клетке для катализирования реакций. Исследование 2015 года показало, что несколько различных видов XNA, в первую очередь FANA (2'-фторарабинуклеиновые кислоты), а также HNA, CeNA и ANA (арабинуклеиновые кислоты), могут использоваться для расщепления РНК во время посттранскрипционной обработки РНК. действует как фермент XNA, отсюда и название XNAzymes. FANA XNAzymes также продемонстрировали способность лигировать субстраты ДНК, РНК и XNA. Хотя исследования XNAzyme все еще являются предварительными, это исследование было шагом в направлении поиска компонентов синтетической цепи, которые более эффективны, чем те, которые содержат аналоги ДНК и РНК, которые могут регулировать ДНК, РНК и их собственные, XNA, подложки.
В то время как XNA модифицировали основы, другие эксперименты нацелены на замену или расширение генетического алфавита ДНК неестественными парами оснований. Например, была разработана ДНК, которая имеет - вместо четырех стандартных оснований A, T, G и C - шесть оснований A, T, G, C и два новых P и Z (где Z означает 6- Амино-5-нитро3- (1'-pD-2'-дезоксирибофуранозил) -2 (1H) -пиридон, а P означает 2-амино-8- (1-бета-D-2'-дезоксирибофуранозил) имидазо [1, 2-а] -1,3,5-триазин-4 (8H)). В систематическом исследовании Leconte et al. протестировали жизнеспособность 60 оснований-кандидатов (потенциально дающих 3600 пар оснований) для возможного включения в ДНК.
В 2002 году Hirao et al. разработали неестественную пару оснований между 2-амино-8- (2-тиенил) пурином (ами) и пиридин-2-оном (y), которая функционирует in vitro при транскрипции и трансляции в направлении генетического кода для синтеза белка, содержащего нестандартный аминокислота. В 2006 году они создали 7- (2-тиенил) имидазо [4,5-b] пиридин (Ds) и пиррол-2-карбальдегид (Pa) в качестве третьей пары оснований для репликации и транскрипции, а затем Ds и 4- [3- (6-аминогексанамидо) -1-пропинил] -2-нитропиррол (Px) был обнаружен как высокоточная пара в ПЦР-амплификации. В 2013 году они применили пару Ds-Px для создания ДНК-аптамеров путем отбора in vitro (SELEX) и продемонстрировали, что расширение генетического алфавита значительно увеличивает сродство ДНК-аптамеров к целевым белкам.
В мае 2014 года исследователи объявили, что они успешно ввел два новых искусственных нуклеотида в бактериальную ДНК, наряду с четырьмя встречающимися в природе нуклеотидами, и, включив отдельные искусственные нуклеотиды в культуральную среду, смог пройти через бактерии 24 раза; они не создали мРНК или белков, способных использовать искусственные нуклеотиды.
Ни XNA, ни неприродные основания не распознаются природными полимеразами. Одна из основных проблем - найти или создать новые типы полимераз, которые смогут воспроизвести эти новые для природы конструкции. В одном случае было обнаружено, что модифицированный вариант обратной транскриптазы ВИЧ - способен ПЦР-амплифицировать олигонуклеотид, содержащий пару оснований третьего типа. Pinheiro et al. (2012) продемонстрировали, что метод эволюции и дизайна полимеразы успешно привел к хранению и восстановлению генетической информации (длиной менее 100 п.н.) из шести альтернативных генетических полимеров на основе простых архитектур нуклеиновых кислот, не встречающихся в природе, ксенонуклеиновых кислоты.
Одна из целей ксенобиологии - переписать генетический код. Самый многообещающий подход к изменению кода - это переназначение редко используемых или даже неиспользуемых кодонов. В идеальном сценарии генетический код расширяется на один кодон, таким образом освобождаясь от своей старой функции и полностью переназначая неканонической аминокислоте (ncAA) («расширение кода»). Поскольку эти методы трудоемки в реализации и могут быть применены некоторые сокращения («инженерия кода»), например, в бактериях, которые являются ауксотрофными по определенным аминокислотам и в какой-то момент эксперимента получают изоструктурные аналоги вместо канонических аминокислот. для которых они ауксотрофны. В этой ситуации канонические аминокислотные остатки в нативных белках заменяются на ncAA. Возможно даже встраивание нескольких различных ncAA в один и тот же белок. Наконец, репертуар из 20 канонических аминокислот может не только быть расширен, но и уменьшен до 19. Путем переназначения пар транспортной РНК (тРНК) / аминоацил-тРНК синтетазы можно изменить специфичность кодона. Таким образом, клетки, наделенные такими аминоацил- [тРНК-синтетазами], способны читать последовательности [мРНК], которые не имеют смысла для существующего механизма экспрессии генов. Изменение пары кодон: тРНК-синтетазы может привести к встраиванию неканонических аминокислот в белки in vivo. В прошлом переназначение кодонов выполнялось в основном в ограниченном масштабе. Однако в 2013 году Фаррен Айзекс и Джордж Черч из Гарвардского университета сообщили о замене всех 321 стоп-кодонов TAG, присутствующих в геноме E. coli с синонимичными кодонами TAA, тем самым демонстрируя, что массивные замены могут быть объединены в штаммы более высокого порядка без летальных эффектов. После успеха этой замены кодонов в масштабе всего генома авторы продолжили и добились перепрограммирования 13 кодонов по всему геному, напрямую затронув 42 основных гена.
Еще более радикальным изменением генетического кода является изменение триплетный кодон к квадруплетному и даже пентаплетному кодону впервые был введен Sisido в бесклеточных системах и Schultz в бактериях. Наконец, неприродные пары оснований могут быть использованы для введения новой аминокислоты в белки.
Цель замены ДНК на XNA также может быть достигнута другим путем, а именно инженерией среда вместо генетических модулей. Этот подход был успешно продемонстрирован Marlière и Mutzel с получением штамма E. coli, ДНК которого состоит из стандартных нуклеотидов A, C и G, но имеет синтетический аналог тимина 5-хлороурацил вместо тимина (T) в соответствующих положениях. последовательности. Затем эти клетки зависят от поступающего извне 5-хлороурацила для роста, но в остальном они выглядят и ведут себя как нормальные E. coli. Эти клетки, однако, в настоящее время еще не являются полностью ауксотрофными по отношению к основанию Xeno, поскольку они все еще растут на тимине, когда он вводится в среду.
Ксенобиологические системы предназначены для передачи ортогональность естественным биологическим системам. Организм (пока еще гипотетический), использующий XNA, различные пары оснований и полимеразы и имеющий измененный генетический код, вряд ли сможет взаимодействовать с естественными формами жизни на генетическом уровне. Таким образом, эти ксенобиологические организмы представляют собой генетический анклав, который не может обмениваться информацией с естественными клетками. Изменение генетического аппарата клетки приводит к семантическому сдерживанию. По аналогии с обработкой информации в ИТ, эта концепция безопасности называется «генетическим брандмауэром». Концепция генетического брандмауэра, похоже, преодолевает ряд ограничений предыдущих систем безопасности. Первое экспериментальное подтверждение теоретической концепции генетического брандмауэра было получено в 2013 году при создании геномно перекодированного организма (GRO). В этом GRO все известные стоп-кодоны UAG в E.coli были заменены кодонами UAA, что позволило удалить фактор высвобождения 1 и переназначить функцию трансляции UAG. GRO продемонстрировал повышенную устойчивость к бактериофагу Т7, таким образом показывая, что альтернативные генетические коды действительно снижают генетическую совместимость. Однако этот GRO по-прежнему очень похож на своего естественного «родителя» и не может рассматриваться как генетический брандмауэр. Возможность переназначения функции большого количества триплетов открывает перспективу создания штаммов, сочетающих XNA, новые пары оснований, новые генетические коды и т. Д., Которые не могут обмениваться какой-либо информацией с естественным биологическим миром. Независимо от изменений, ведущих к семантическому механизму сдерживания в новых организмах, любые новые биохимические системы все равно должны пройти токсикологический скрининг. XNA, новые белки и т. Д. Могут представлять новые токсины или иметь аллергический потенциал, который необходимо оценить.
Ксенобиология может бросить вызов нормативной базе, поскольку в настоящее время законы и директивы касаются генетически модифицированных организмов и не упоминают напрямую химически или геномно модифицированные организмы. Принимая во внимание, что настоящие ксенобиологические организмы не появятся в ближайшие несколько лет, у политиков действительно есть время, чтобы подготовиться к предстоящим вызовам в области управления. С 2012 года следующие группы выбрали эту тему как развивающуюся проблему управления: советники по вопросам политики в США, четыре национальных совета по биобезопасности в Европе, Европейская организация молекулярной биологии и Научный комитет Европейской комиссии по возникающим и недавно выявленным рискам для здоровья ( SCENIHR) в трех мнениях (Определение, методологии оценки рисков и аспекты безопасности, а также риски для окружающей среды и биоразнообразия, связанные с синтетической биологией, и приоритеты исследований в области синтетической биологии).
