Ксенобиология (от др.-греч. ξενος — «чужой, гость», сокращенно КБ) — подраздел синтетической биологии, изучающий создание и управление биологическими устройствами и системами. КБ описывает форму биологии, которая (пока) не знакома науке и не встречается в природе. На практике это обозначает новые биологические и биохимические системы, которые отличаются от канонической системы ДНК-РНК-20 аминокислот (см. классическую центральную догму в молекулярной биологии). Например, вместо ДНК или РНК, КБ исследует аналоги нуклеиновых кислот, называемые ксенонуклеиновые кислоты (КсНК) в качестве носителей информации[1]. Она также исследует расширенный генетический код[2] и включение не-протеиногенных аминокислот в белки[3].
«Астро» означает «звезда», а «экзо» означает «извне». И экзо-, и астробиология занимаются поиском естественно эволюционировавшей жизни во Вселенной, в основном на других планетах в зонах обитаемости. В то время как астробиологи обеспокоены выявлением и анализом (гипотетически) существующей жизни во Вселенной, ксенобиология прилагает усилия к разработке формы жизни с иной биохимией или иным генетическим кодом на планете Земля[4].
Целью ксенобиологии является проектирование и создание биологических систем, которые отличаются от своих природных аналогов на одном или нескольких основных уровнях. В идеале эти новые организмы будут отличаться в каждом возможном биохимическом аспекте, что отражает совершенно иной генетический код. Долгосрочная цель состоит в создании клетки, которая будет хранить свою генетическую информацию не в ДНК, но в альтернативном информационном полимере, состоящем из ксенонуклеиновых кислот (КсНК), иных пар оснований, с использованием неканонических аминокислот и измененного генетического кода. На данный момент созданы клетки, включающие только одну или две из этих функций.
Первоначально исследование альтернативных форм ДНК было обусловлено вопросом о том, как развивалась жизнь на Земле и почему РНК и ДНК были отобраны в процессе (химической) эволюции в отличие от других возможных структур нуклеиновых кислот[8]. Систематические экспериментальные исследования, направленные на диверсификацию химической структуры нуклеиновых кислот, привели к созданию совершенно новых информационных биополимеров. До настоящего времени был синтезирован ряд КсНК на базе новых химических основ или исходящих мотивов ДНК[9][10][11][12], например: гексозонуклеиновая кислота (ГНК), треозонуклеиновая кислота (ТНК)[13], гликольнуклеиновая кислота (ГлНК), циклогексенилнуклеиновая кислота (ЦНК)[14]. Включение КсНК в плазмиды с использованием трех кодонов ГНК было проделано в 2003 году[15]. Эта КсНК используется in vivo (E. coli) в качестве матрицы для синтеза ДНК. В это исследование, использующее двоичную (G/T) генетическую кассету и два основания, не входящие в состав ДНК (Hs/U), была включена также ЦНК, в то время как ГлНК на данный момент представляется слишком чуждой для естественной биологической системы, которая будет использоваться в качестве шаблона для синтеза ДНК[16]. Расширенные основы, используя естественный каркас ДНК, могут также быть транслитерированы в природную ДНК , хотя и в более ограниченной степени[17].
В то время как различные КсНК имеют модифицированные каркасы, другие эксперименты нацелены на замену или расширение генетического алфавита ДНК с использованием неестественных пар оснований. Например, была разработана ДНК, имеющая вместо четырёх стандартных основ А, Т, G и C шесть основ А, T, G, C, и две новые P и Z (где Z обозначает 6-амино-5-нитро3-(l'-Pd-2'-деоксирибофуранозил)-2(1Н)-пиридон, и P обозначает 2-амино-8-(1-бета-D-2'-деоксирибофуранозил)имидазо[1,2-а]-1,3,5-триазин-4(8Н))[18][19][20]. Леконт и др. проверили устойчивость 60 оснований-кандидатов (получив около 3600 пар оснований) для возможного включения в ДНК[21].
Ни КсНК, ни неестественные основания не распознаются естественными полимеразами. Одной из основных проблем является найти или создать новые типы полимераз, которые будут в состоянии копировать эти новые конструкции. В одном случае было обнаружено, что модифицированный вариант ВИЧ-обратной транскриптазы способен к ПЦР-амплификации олигонуклеотида, содержащего пару оснований третьего типа[22][23]. Пиньейро и др. (2012) продемонстрировали, что метод полимеразной эволюции и дизайна успешно привел к хранению и восстановлению генетической информации (менее чем 100 пар основ длиной) от шести альтернативных генетических полимеров, основанных на простых нуклеиновых кислотах, не встречающихся в природе [КсНК][24].
Одна из целей ксенобиологии — это переписать универсальный генетический код. Наиболее перспективным подходом для изменения кода является переназначение редко используемых или неиспользуемых кодонов[25]. В идеальном случае, генетический код увеличивается на один кодон, тем самым освобождаясь от своей предыдущей функции и переключаясь на кодирование неканонической аминокислоты (нкАК) («расширение кода»). Поскольку эти методы трудоемки в реализации, существует возможность применения более коротких путей («разработка кода»), например у ауксотрофных к специфической аминокислоте бактерий, которые в эксперименте получают изоструктурные аналоги вместо канонических аминокислот. В этой ситуации, канонические аминокислотные остатки в нативных белках замещаются нкАК. Возможно даже введение нескольких различных нкАК в один и тот же белок[26]. Наконец, набор из 20 канонических аминокислот может быть не только расширен, но также и уменьшен до 19[27]. Специфичность кодона может быть изменена при помощи переназначения пары транспортная РНК (тРНК)/аминоацил тРНК-синтетаза. Клетки, обладающие такими аминоацил-тРНК синтетазами, таким образом, в состоянии прочитать последовательности мРНК, нечитабельные для существующей системы генной экспрессии[28]. Изменение кодона: пары тРНК синтетазы могут способствовать включению в белки неканонических аминокислот in vivo[29][30]. В прошлом переназначение кодона в основном происходило в ограниченном масштабе. Однако в 2013 году Фаррен Айзекс и Джордж Черч из Гарвардского университета сообщили о замене всех 314 TAG стоп-кодонов генома E. coli на синонимичные кодоны ТАА, тем самым продемонстрировав, что массовые замены могут быть произведены в штаммах высшего порядка с сохранением жизнеспособности штамма[31]. После успеха этой замены кодонов, авторы продолжили работу и перепрограммировали 13 кодонов по всему геному, непосредственно затрагивающих 42 основных гена[32].
Ещё более радикальными изменениями в генетическом коде являются изменения триплетного кодона на квадриплетный и даже пентаплетный кодоны, произведенные Сисидо в бесклеточных системах[33] и Шульцем в бактериальных клетках[34]. Наконец, неприродные пары оснований могут быть использованы для введения в белки новой аминокислоты[35].
Замена ДНК на КсНК может быть также произведена другим путём, а именно путём изменения окружающей среды вместо генетических модулей. Этот подход успешно продемонстрировали Марльер и Mютцель: они создали штамм E. coli, ДНК которого состоит из стандартных A, C и G нуклеотидов, но также имеет синтетический аналог тимина 5- хлорурацил в соответствующих местах ДНК последовательности. Рост этих клеток затем зависит от поступающего извне 5-хлорурацила, но в остальном они выглядят и ведут себя, как обычный штамм E. coli. Этот подход, таким образом, устанавливает два барьера для любого взаимодействия с другими бактериями, так как штамм является ауксотрофным для неприродного химического соединения и содержит форму ДНК, которая не может быть расшифрована другими организмами[36].
Ксенобиологические системы предназначены для придания ортогональности естественным биологическим системам. Гипотетический организм, который содержит КсНК[37], иные пары оснований и полимеразы, и имеет измененный генетический код, вряд ли будет в состоянии взаимодействовать с природными формами жизни на генетическом уровне. Таким образом, эти ксенобиологические организмы представляют собой генетический анклав, который не может обмениваться информацией с природными клетками[38]. Изменение генетического аппарата клеток приводит к семантическому сдерживанию. По аналогии с обработкой информации в ИТ, эта концепция безопасности называется «генетический брандмауэр»[4][39]. Концепция «генетического брандмауэра» может преодолеть ряд ограничений предыдущих систем безопасности[40][41]. Первые экспериментальные доказательства этой теоретической концепции были получены в 2013 году с созданием «геномно перекодированного организма» (ГПО). В этом организме все известные UAG стоп-кодоны в E. coli были заменены на UAA кодоны, что позволило переназначить функцию трансляции кодону UAG. ГПО продемонстрировал повышенную устойчивость к бактериофагу Т7, показывая таким образом, что альтернативные генетические коды действительно уменьшают генетическую совместимость[42]. Этот ГПО, однако, по-прежнему очень похож на своего естественного «предка» и не может рассматриваться в качестве «генетического брандмауэра». Возможность переназначение функций большого числа триплетов делает возможным разрабатывать штаммы, которые сочетают КсНК, новые пары оснований, новые генетические коды и т. д., и которые не могут обмениваться никакой информацией с естественным биологическим миром. В то время как «генетический брандмауэр» может реализовать семантические механизмы сдерживания в новых организмах, новые биохимические системы по-прежнему должны быть оценены по отношению к новым токсинам и ксенобиотикам[43][44].
Ксенобиология может представлять трудность для нормативно-правовой базы, так как в настоящее время законы и директивы регулируют вопросы о генетически модифицированных организмах, но непосредственно не упоминают химически или геномно модифицированные организмы. Учитывая, что в реальности ксенобиологические организмы в ближайшие годы не ожидаются, законодательство имеет некоторое время для подготовки к предстоящим изменениям на уровне управления. Начиная с 2012 года, политические советники в США[45], четыре национальных комитета по биобезопасности в Европе[46] и Европейская организация молекулярной биологии[47] отметили данную тему как развивающуюся проблему управления.
Для улучшения этой статьи по биологии желательно: |
Данная страница на сайте WikiSort.ru содержит текст со страницы сайта "Википедия".
Если Вы хотите её отредактировать, то можете сделать это на странице редактирования в Википедии.
Если сделанные Вами правки не будут кем-нибудь удалены, то через несколько дней они появятся на сайте WikiSort.ru .