Ксенобіологія

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Ксенобіологія (КБ) — це підрозділ синтетичної біології, яка вивчає створення і управління біологічними пристроями та системами. Термін «ксенобіологія» походить від давньогрецького ξενος і означає «чужий, гість». Таким чином, КБ описує форму біології, (поки що) не знайому науці, і яка не зустрічається в природі. На практиці це означає нові біологічні та біохімічні системи, які відрізняються від канонічної системи ДНК-РНК-20 амінокислот (див. класичну центральну догму молекулярної біології). Наприклад, замість ДНК чи РНК, КБ досліджує аналоги нуклеїнових кислот, які називаються ксенонуклеїнові кислоти (КсНК), як носії інформації[1]. Вона також досліджує розширений генетичний код[2] і включення не-протеїногенних амінокислот в білки[3].

Різниця між ксено- , екзо-, і астро-[ред.ред. код]

«Астро» означає «зірка», а «екзо» означає «зовні». І екзо-, і астробіологія займаються пошуком життя, яке природньо еволюціонувало у Всесвіті, в основному на інших планетах «Голдилок» зон (навколозіркових придатних для існування зон). В той час як астробіологи займаються виявленням і аналізом (гіпотетично) існуючого життя у Всесвіті, ксенобіологія докладає зусиль до розробки форм життя з іншою біохімією чи іншим генетичним кодом на планеті Земля[4].

Цілі ксенобіології[ред.ред. код]

  • Потенціал ксенобіології полягає у можливості виявити фундаментальні знання про біологію і походження життя. Для того, щоб краще зрозуміти походження життя, необхідно знати, чому життя розвинулось від РНК до системи ДНК-РНК-білок і його універсального генетичного коду[5]. Була це еволюційна «випадковість», чи певні фактори виключили появу інших типів хімічних систем? Тестування альтернативних біохімічних «первинних бульйонів» може допомогти краще зрозуміти принципи, які породили життя в тому вигляді, в якому ми його знаємо зараз.
  • Ксенобіологія — це підхід до розробки промислової виробничої системи з новими можливостями за допомогою створення посилених біополімерів та протидії патогенам. Генетичний код кодує у всіх організмах 20 канонічних амінокислот, які використовуються для біосинтезу білка. Іноді спеціальні амінокислоти, такі як селеноцистеїн, пірролізин чи селенометионін, можуть бути включені в білки в процесі біосинтезу у деяких організмів[6]. Використання додаткових амінокислот з понад 700 відомих біохімії дає можливість створити змінені білки з більш ефективними каталітичними чи фізичними функціями. Наприклад, метою проекта METACODE, який фінансується ЄС, є включення метатезиса (корисна каталітична функція, до цього часу невідома в живих організмах) в бактеріальні клітини. Інша причина, за якою КБ може поліпшити виробничі процеси, полягає у можливості зниження ризику зараження вірусом чи бактеріофагом у процесі культивації, оскільки КБ клітини будуть більш стійкими до зараження (підход, що називається «семантичне стримування»).
  • Ксенобіологія надає можливість зпроектувати «генетичний брандмауер», нову систему біологічного стримування, яка може допомогти укріпити та диверсифікувати сучасні підходи до біо-стримування. Однією з проблем в традиційній генній інженерії та біотехнології є горизонтальне перенесення генів в навколишнє середовище і можливі ризики для здоров'я людини. Однією з основних ідей у КБ є розробка альтернативних генетичних кодів і біохімічних систем таким чином, що горизонтальне перенесення генів стає неможливим. Окрім того, альтернативні біохімічні системи також дозволяють створювати нових синтетичних ауксотрофів (організми, нездатні синтезувати певні органічні сполуки, необхідні для власного росту). Ціль їх створення полягає в тому, щоб сконструювати ортогональну біологічну систему, несумісну з природними генетичними системами[7].

Науковий підхід[ред.ред. код]

Ціллю ксенобіології є проєктування і створення біологічних систем, які відрізняються від своїх природних аналогів на одному або декількох основних рівнях. В ідеалі ці нові організми будуть відрізнятися у кожному можливому біохімічному аспекті, відбиваючи, таким чином, інший генетичний код. Довгострокова ціль полягає у створенні клітини, яка буде зберігати свою генетичну інформацію не в ДНК, але в альтернативному інформаційному полімері, який складається з КсНК, інших пар основ, з використанням неканонічних амінокислот та зміненого генетичного коду. На даний момент створено клітини, які включають лише одну або дві з цих функцій.

Ксенонуклеїнові кислоти (КсНК)[ред.ред. код]

Спочатку дослідження альтернативних форм ДНК було обумовлено питанням про те, як розвивалося життя на землі і чому РНК та ДНК були відібрані в процесі (хімічної) еволюції на відміну від інших можливих структур нуклеїнових кислот[8]. Систематичні експериментальні дослідження, спрямовані на диверсифікацію хімічної структури нуклеїнових кислот, призвели до створення абсолютно нових інформаційних біополімерів. На даний момент синтезирований ряд КсНК на базі нових хімічних основ чи мотивів ДНК[9][10][11][12], наприклад: гексозонуклеїнова кислота (ГНК), треозонуклеїнова кислота (ТНК)[13], глікольнуклеїнова кислота (ГлНК), циклогексенілнуклеїнова кислота (ЦНК)[14]. Включення КсНА в плазміди з використанням трьох кодонів ГНК відбулося у 2003 році[15]. Ця КсНК використовується in vivo (E. coli) як матриця для синтезу ДНК. В це дослідження, яке використовувало подвійну (G/T) генетичну касету і дві основи, які не входять до складу ДНК (Hs/U), було включено також ЦНК. ГлНК на даний момент є занадто чужорідною для природньої біологічної системи, щоб бути шаблоном для синтезу ДНК[16]. Розширені основи, які використовують природній каркас ДНК, можуть також бути транслітеровані в природню ДНК , хоча і в більш обмежному ступені[17].

Розширений генетичний алфавіт[ред.ред. код]

В той час як різноманітні КсНК мають модифіковані каркаси, інші експерименти націлені на заміну чи розширення генетичного алфавіту ДНК з використанням неприродніх пар основ. Наприклад, була розроблена ДНК, яка замість чотирьох стандартних основ А, Т , G і C має шість основ: А, T , G , C, і дві нові: P і Z (де Z означає 6-аміно-5-нітро3 -(l'-Pd-2'-деоксирибофуранозил)-2(1Н)-пирідон, а P означає 2-аміно-8-(1-бета-D-2'-деоксирибофуранозил)імідазо[1,2-а]-1,3,5-триазин-4(8Н))[18][19][20]. Леконт та ін. перевірили стійкість 60 основ-кандидатів (отримавши близько 3600 пар основ) для можливого включення до ДНК[21].

Нові полімерази[ред.ред. код]

Ані КсНК, ані неприродні основи не розпізнаються природніми полімеразами. Однією з основних проблем є знаходження чи створення нових типів полімераз, які будуть в змозі копіювати ці нові конструкції. В одному випадку було виявлено, що модифікований варіант ВІЛ-зворотньої транскриптази здатен до ПЦР-ампліфікації олігонуклеотида, який містить пару основ третього типу[22][23]. Піньєро та ін. (2012) продемонстрували, що метод полімеразної еволюції і дизайна сприяв збереженню і відновленню генетичної інформації (менше ніж 100 пар основ довжиною) від шести альтернативних генетичних полімерів, основаних на простих нуклеїнових кислотах, які не зустрічаються в природі[24].

Розробка генетичного коду[ред.ред. код]

Однією з цілей ксенобіології є переписати універсальний генетичний код. Найбільш перспективним підходом для зміни коду є переназначення кодонів, які рідко використовуються чи не використовуються взагалі[25]. В ідеальному випадку генетичний код збільшується на один кодон, таким чином звільняючись від своєї попередньої функції і переключаючись на кодування неканонічної амінокислоти (нкАК) («розширення коду»). Оскільки ці методи складні в реалізації, існує можливість використання більш коротких шляхів («розробка коду»), наприклад у ауксотрофних щодо специфічної амінокислоти бактерій, які в експерименті отримують ізоструктурні аналоги замість канонічних амінокислот. В цій ситуації канонічні амінокислотні залишки в нативних білках заміщуються на нкАК. Можливе також введення декількох різних нкАК в один і той же білок[26]. Нарешті, набір з 20 канонічних амінокислот може бути не тільки розширений, але також і зменшений до 19[27]. Специфічність кодону може бути змінена за допомогою переназначення пари транспортна РНК (тРНК)/аміноацил тРНК-синтетаза. Клітини, які містять такі аміноацил-тРНК синтетази, таким чином, здатні прочитати послідовності мРНК, нечитабельні для існуючої системи генної експресії[28]. Зміна кодону: пари тРНК синтетази можуть сприяти включенню в білки неканонічних амінокислот in vivo[29][30]. В минулому переназначення кодону в основному відбувалося в обмеженому масштабі. Однак у 2013 році Фаррен Айзекс і Джордж Черч з Гарвардського університету повідомили про заміну всіх 314 TAG стоп-кодонів геному E. coli на синонімічні кодони ТАА, тим самим продемонструвавши, що масові заміни можуть бути проведені в штамах висшого порядку зі збереженням життєздатності штаму[31]. Після успіху цієї заміни кодонів автори продовжили роботу і перепрограмували 13 кодонів по всьому геному, які безпосередньо торкаються 42 основних генів[32].

Ще більш радикальними змінами в генетичному коді є зміни триплетного кодону на квадриплетний і навіть пентаплетний кодони, які були проведені Сисидо в безклітинних системах[33], і Шульцем в бактеріальних клітинах[34]. Нарешті, неприродні пари основ можуть бути використані для введення в білки нової амінокислоти[35].

Направлена еволюція[ред.ред. код]

Заміна ДНК на КсНК може бути також виконана іншим шляхом, а саме шляхом зміни навколишнього середовища замість генетичних модулів. Цей підхід успішно продемонстрували Марльєр і Мютцель: вони створили штам E. coli, ДНК якого складається зі стандартних A, C і G нуклеотидів, але також має синтетичний аналог тиміну — 5-хлорурацил — у відповідних місцях ДНК послідовності. Ріст цих клітин в подальшому залежить від 5-хлорурацилу, який надходить ззовні, але в іншому вони виглядають і поводять себе, як звичайний штам E. coli. Цей підхід, таким чином, встановлює два бар'єри для будь-якої взаємодії з іншими бактеріями, оскільки штам є ауксотрофним для неприродньої хімічної сполуки, і містить форму ДНК, яка не може бути розшифрована іншими організмами[36].

Біобезпека[ред.ред. код]

Ксенобіологічні системи призначені для надання ортогональності природним біологічним системам. Гіпотетичний організм, який містить КсНК[37], інші пари основ і полімерази, та має змінений генетичний код, навряд чи буде в змозі взаємодіяти з природними формами життя на генетичному рівні. Таким чином, ці ксенобіологічні организми являють собою генетичний анклав, який не може обмінюватися інформацією з природніми клітинами[38]. Зміна генетичного апарату клітин призводить до семантичного стримування. По аналогії з обробкою інформації в ІТ, ця концепція безпеки називається «генетичний брандмауер»[39][40]. Концепція «генетичного брандмауера» може подолати низку обмежень попередніх систем безпеки[41][42]. Перші експериментальні докази цієї теоретичної концепції були отримані в 2013 році зі створенням «геномно перекодованого організму» (ГПО). В цьому організмі всі відомі UAG стоп-кодони в E.coli були замінені на UAA кодони, що дозволило переназначити функцію трансляції кодону UAG. ГПО продемонстрував підвищену стійкість до бактеріофага Т7, показуючи таким чином, що альтернативні генетичні коди дійсно зменшують генетичну сумісність[43]. Цей ГПО, однак, так само дуже схожий на свого природнього попередника і не може розглядатися як «генетичний брандмауер». Можливість переназначення функцій великої кількості триплетів робить можливим розробку штамів, які поєднують КсНК, нові пари основ, нові генетичні коди і т.і., та які не можуть обмінюватися жодною інформацією з природнім біологічним оточенням. В той час як «генетичний брандмауер» може реалізувати семантичні механізми стримування в нових організмах, нові біохімічні системи так само повинні бути досліджені по відношенню до нових токсинів і ксенобіотиків[44][45].

Управління і регуляторні питання[ред.ред. код]

Ксенобіологія може бути складним питанням для нормативно-правової бази, оскільки на даний момент закони і директиви регулюють питання про генетично модифіковані організми, але безпосередньо не згадують хімічно чи геномно модифіковані організми. Беручи до уваги, що в реальності ксенобіологічні організми в найближчі роки не очікуються, законодавство має деякий час для підготовки до майбутніх змін на рівні управління. Починаючи з 2012 року, політичні радники в США[46], чотири національних комітети з біобезпеки в Європі[47], і Європейська організація молекулярної біології[48] відмітили дану тему як майбутню проблему управління.

Посилання[ред.ред. код]

  1. Pinheiro, V.B. and Holliger, P., 2012. The XNA world: Progress towards replication and evolution of synthetic genetic polymers. Current Opinion in Chemical Biology, 16, 245
  2. Bain, J. D., Switzer, C., Chamberlin, R., & Steven A. Bennert, S.A. (1992). Ribosome-mediated incorporation of a non-standard amino acid into a peptide through expansion of the genetic code, Nature 356, 537–539
  3. Noren, C.J., Anthony-Cahill, S.J., Griffith, M.C., Schultz, P.G.(1989). A general method for site-specific incorporation of unnatural amino acids into proteins. Science 44, 82-88
  4. Schmidt M. Xenobiology: a new form of life as the ultimate biosafety tool Bioessays Vol 32(4):322-331
  5. Pace NR. 2001. The universal nature of biochemistry. Proc Natl Acad Sci USA 98: 805-8.
  6. Wiltschi, B. and N. Budisa, Natural history and experimental evolution of the genetic code. Applied Microbiology and Biotechnology, 2007. 74: p. 739–753
  7. Herdewijn P, Marlière P. Toward safe genetically modified organisms through the chemical diversification of nucleic acids.Chem Biodivers. 2009 Jun;6(6):791-808.
  8. Eschenmoser, A. (1999) Chemical etiology of nucleic acid structure. Science. 284, 2118–2124.
  9. Vastmans K, Froeyen M, Kerremans L, et al. (2001). Reverse transcriptase incorporation of 1,5-anhydrohexitol nucleotides. Nucleic Acids Res 29: 3154-63. 42
  10. Jang, M et al. (2013). A synthetic substrate of DNA polymerase deviating from the bases, sugar, and leaving group of canonical deoxynucleoside triphosphates. Chemistry & Biology, 20 (3), art.nr. 10.1016/j.chembiol.2013.02.010, 416-23
  11. Pinheiro, V.B. and Holliger, P., (2012) The XNA world: Progress towards replication and evolution of synthetic genetic polymers. Current Opinion in Chemical Biology, 16, 245
  12. Pinheiro, V.B., Loakes, D. and Holliger, P. (2013) Synthetic polymers and their potential as genetic materials. Bioessays, 35, 113
  13. Ichida JK, Horhota A, Zou K, et al. (2005). High fidelity TNA synthesis by Therminator polymerase. Nucleic Acids Res 33: 5219-25
  14. Kempeneers V, Renders M, Froeyen M, et al. (2005). Investigation of the DNA-dependent cyclohexenyl nucleic acid polymerization and the cyclohexenyl nucleic acid-dependent DNA polymerization. Nucleic Acids Res. 33: 3828-36
  15. Pochet S. et al. (2003). Replication of hexitol oligonucleotides as a prelude to the propagation of a third type of nucleic acid in vivo. Comptes Rendus Biologies. 326:1175-1184
  16. Pezo V. et al. (2012). Binary Genetic Cassettes for Selecting XNA-Templated DNA Synthesis In Vivo. Angew Chem. 52: 8139-8143
  17. Krueger AT. et al. (2011). Encoding Phenotype in Bacteria with an Alternative Genetic Set. J. Am. Chem. Soc. 133 (45):18447-18451
  18. Sismour, A.M., et al. (2004) PCR amplification of DNA containing non-standard base pairs by variants of reverse transcriptase from Human Immunodeficiency Virus-1. Nucleic Acids Res. 32, 728–735
  19. Yang, Z., Hutter, D., Sheng, P., Sismour, A.M. and Benner, S.A. (2006) Artificially expanded genetic information system: a new base pair with an alternative hydrogen bonding pattern. Nucleic Acids Res. 34, 6095-6101
  20. Yang, Z., Sismour, A.M., Sheng, P., Puskar, N.L. and Benner, S.A. (2007) Enzymatic incorporation of a third nucleobase pair. Nucleic Acids Res. 35, 4238-4249
  21. Leconte, A.M., Hwang, G.T., Matsuda, S., Capek, P., Hari, Y. and Romesberg, F.E. (2008) Discovery, characterization, and optimization of an unnatural base pair for expansion of the genetic alphabet. J. Am. Chem. Soc. 130, 2336–2343
  22. Sismour, A.M. and Benner, S.A. (2005) The use of thymidine analogs to improve the replication of an extra DNA base pair: a synthetic biological system. Nucleic Acids Res. 33, 5640-5646
  23. Havemann, S.A., Hoshika, S., Hutter, D. and Benner, S.A. (2008) Incorporation of multiple sequential pseudothymidines by DNA polymerases and their impact on DNA duplex structure. Nucleosides Nucleotides Nucleic Acids 27, 261–278
  24. Pinheiro VB et al. (2012) Synthetic genetic polymers capable of heredity and evolution. Science 336: 341–344
  25. Budisa, N. (2005). Engineering the Genetic Code — Expanding the Amino Acid Repertoire for the Design of Novel Proteins, WILEY-VHC Weinheim, New York, Brisbane, Singapore, Toronto
  26. Hoesl, M. G., Budisa, N., (2012). Recent advances in genetic code engineering in Escherichia coli. Curr. Opin. Biotechnol. 23, 751–757
  27. Pezo, V., Guérineau, V., Le Caer, J.-P., Faillon, L., Mutzel, R. & Marlière, P. (2013). A metabolic prototype for eliminating tryptophan from the genetic copde. Scientific Reports 3: 1359
  28. Rackham, O. and Chin, J.W. (2005) A network of orthogonal ribosome mRNA pairs. Nat. Chem. Biol. 1, 159–166
  29. Wang, L., Brock, A., Herberich, B. and Schultz, P.G. (2001) Expanding the genetic code of Escherichia coli. Science 292, 498–500
  30. Hartman, M.C., Josephson, K., Lin, C.W. and Szostak, J.W. (2007) An expanded set of amino acid analogs for the ribosomal translation of unnatural peptides. PLoS ONE 2, e972
  31. Isaacs FJ, et al. (2013) Precise manipulation of chromosomes in vivo enables genome-wide codon replacement. Science, 2011, 333(6040):348-53
  32. Lajoie MJ, Kosuri S, Mosberg JA, Gregg CJ, Zhang D, Church GM (2013) Probing the Limits of Genetic Recoding in Essential Genes. Science. 342(6156):361-3
  33. Hohsaka T, Sisido M. (2002) Incorporation of non-natural amino acids into proteins. Curr Opin Chem Biol. 6, 809–815
  34. Anderson, J.C., Wu, N., Santoro, S.W., Lakshman, V., King, D.S. and Schultz, P.G. (2004) An expanded genetic code with a functional quadruplet codon. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101, 7566-7571
  35. Hirao I, Ohtsuki T, Fujiwara T, Mitsui T, Yokogawa T, Okuni T, Nakayama H, Takio K, Yabuki T, Kigawa T, Kodama K, Yokogawa T, Nishikawa K, Yokoyama S. (2002). An unnatural base pair for incorporating amino acid analogs into proteins. Nat Biotechnol, 20, 177–182
  36. Marliere P et al. (2011) Chemical Evolution of a Bacterium's Genome. Angewandte Chemie Int. Ed. 50(31): 7109-7114
  37. Herdewijn, P. and Marliere, P. (2009) Toward safe genetically modified organisms through the chemical diversification of nucleic acids. Chem. Biodivers. 6, 791–808
  38. Marliere, P. (2009) The farther, the safer: a manifesto for securely navigating synthetic species away from the old living world. Syst. Synth. Biol. 3, 77-84
  39. Schmidt M. Xenobiology: a new form of life as the ultimate biosafety tool Bioessays Vol 32(4):322-331
  40. Acevedo-Rocha CG, Budisa N (2011). On the Road towards Chemically Modified Organisms Endowed with a Genetic Firewall. Angewandte Chemie International Edition. 50(31):6960-6962
  41. Moe-Behrens GH, Davis R, Haynes KA. (2013) Preparing synthetic biology for the world. Front Microbiol. 2013;4:5
  42. Wright O, Stan GB, Ellis T. (2013) Building-in biosafety for synthetic biology. Microbiology. 159 (7):1221-35
  43. Lajoie MJ, et al. Genomically Recoded Organisms Expand Biological Functions. Science, 2013, 342(6156):357-60
  44. Schmidt M, Pei L. 2011. Synthetic Toxicology: Where engineering meets biology and toxicology Toxicological Sciences. 120(S1), S204-S224
  45. Schmidt M. 2013. Safeguarding the Genetic Firewall with Xenobiology. In: ISGP. 2013. 21st Century Borders/Synthetic Biology: Focus on Responsibility and Governance.
  46. ISGP. 2013. 21st Century Borders/Synthetic Biology: Focus on Responsibility and Governance p.55-65
  47. Pauwels K. et al. (2013) Event report: SynBio Workshop (Paris 2012) — Risk assessment challenges of Synthetic Biology. Journal für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit. DOI 10.1007/s00003-013-0829-9
  48. Garfinkel M. (2013) Biological containment of synthetic microorganisms: science and policy. Report on a ESF/LESC Strategic Workshop