Xenobiológia

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2019. március 5-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 44 szerkesztést igényelnek .

A xenobiológia ( más görög ξενος  - „idegen, vendég”, rövidítve KB) a szintetikus biológia egyik alszaka, amely biológiai eszközök és rendszerek létrehozását és irányítását vizsgálja. A KB a biológia egy olyan formáját írja le, amely (még) ismeretlen a tudomány számára, és nem fordul elő a természetben. A gyakorlatban új biológiai és biokémiai rendszereket jelöl, amelyek eltérnek a kanonikus DNS - RNS -20 aminosav rendszertől (lásd a molekuláris biológia klasszikus központi dogmáját ). Például a KB DNS vagy RNS helyett a nukleinsavak xenonukleinsavak (XNA-k) analógjait kutatja információhordozóként [1] . Feltárja a kiterjesztett genetikai kódot [2] és a nem-proteinogén aminosavak fehérjékbe való beépülését is [3] .

A xeno-, exo- és asztro- közötti különbség

Az "Astro" jelentése "csillag", az "exo" pedig "kint". Mind az exo-, mind az asztrobiológia foglalkozik a természetes úton kialakult élet keresésével a világegyetemben, főleg a lakható zónák más bolygóin . Míg az asztrobiológusok az univerzumban létező élet (hipotetikusan) azonosításával és elemzésével foglalkoznak, a xenobiológia arra törekszik, hogy más biokémiával vagy eltérő genetikai kóddal rendelkező életformát fejlesszen ki a Föld bolygón [4] .

Az xenobiológia céljai

Tudományos megközelítés

A xenobiológia célja olyan biológiai rendszerek tervezése és létrehozása, amelyek egy vagy több alapvető szinten különböznek természetes társaiktól. Ideális esetben ezek az új organizmusok minden lehetséges biokémiai vonatkozásban mások lennének, teljesen más genetikai kódot tükrözve. A hosszú távú cél egy olyan sejt létrehozása, amely genetikai információit nem DNS-ben tárolja, hanem egy alternatív információs polimerben, amely xenonukleinsavakból (XNA), egyéb bázispárokból áll, nem kanonikus aminosavak és megváltozott genetikai kód felhasználásával. Jelenleg olyan cellákat hoztak létre, amelyek ezek közül a funkciók közül csak egy vagy kettőt tartalmaznak.

Xenonukleinsavak (XNA-k)

Kezdetben a DNS alternatív formáinak vizsgálatát az a kérdés vezérelte, hogy hogyan alakult ki az élet a Földön, és miért választották ki az RNS-t és a DNS-t a (kémiai) evolúció folyamatában, ellentétben a nukleinsavak más lehetséges szerkezeteivel [8] . A nukleinsavak kémiai szerkezetének diverzifikációját célzó szisztematikus kísérleti vizsgálatok teljesen új információs biopolimerek létrejöttéhez vezettek. Eddig számos XNS-t szintetizáltak új kémiai bázisok vagy kimenő DNS-motívumok alapján [9] [10] [11] [12] , például: hexosonukleinsav (HNA), treoso nukleinsav (TNA) [13] , glikol-nukleinsav (GlNA), ciklohexenil -nukleinsav (CNA ) [14] , peptidonukleinsav (PNA). Az XNA plazmidokba történő beépítése három GNA kodon felhasználásával történt 2003-ban [15] . Ezt az XNS-t in vivo (E. coli) használják templátként a DNS-szintézishez. Ebben a tanulmányban, egy bináris (G/T) genetikai kazettát és két nem DNS-bázist (Hs/U) használva, a CNS-t is bevonták, míg a GlNS jelenleg túlságosan idegennek tűnik a természetes biológiai rendszertől, amelyet majd használnak. templát a DNS-szintézishez [16] . A természetes DNS-vázat használó kiterjesztett szárak is átírhatók természetes DNS-vé, bár korlátozottabb mértékben [17] .

A genetikai ábécé kiterjesztése

Míg a különböző XNS-ek módosított állványzattal rendelkeznek, más kísérletek célja a DNS genetikai ábécéjének helyettesítése vagy kiterjesztése természetellenes bázispárok felhasználásával. Például olyan DNS-t terveztek, amely a szokásos négy A, T, G és C bázis helyett hat A, T, G, C bázist, valamint két új P és Z bázist tartalmaz (ahol a Z jelentése 6-amino-5 -nitro-3-(l'-Pd-2'-dezoxiribofuranozil)-2(1H)-piridon, és P jelentése 2-amino-8-(1-béta-D-2'-dezoxiribofuranozil)imidazo[1,2-a ]-1,3,5-triazin-4(8Н)) [18] [19] [20] . Leconte és munkatársai 60 jelölt bázis stabilitását vizsgálták (ami körülbelül 3600 bázispárt eredményez) a DNS-be való lehetséges beépülés érdekében [21] .

Új polimerázok

Sem az XNA-t, sem a nem természetes bázisokat nem ismerik fel a természetes polimerázok . Az egyik fő kihívás az új típusú polimerázok megtalálása vagy létrehozása, amelyek képesek lesznek replikálni ezeket az új konstrukciókat. Egy esetben a HIV reverz transzkriptáz módosított változatáról azt találták, hogy képes a 3-as típusú bázispárt tartalmazó oligonukleotid PCR-amplifikációjára [22] [23] . Pinheiro és munkatársai (2012) bebizonyították, hogy a polimeráz evolúciós és tervezési módszere sikeresen vezetett hat alternatív genetikai polimerből származó (kevesebb, mint 100 bázispár hosszúságú) genetikai információ tárolására és visszanyerésére, amelyek a természetben nem előforduló egyszerű nukleinsavakon [XsNA] alapulnak. [24] .

A genetikai kód fejlesztése

A xenobiológia egyik célja az univerzális genetikai kód átírása. A kódmódosítás legígéretesebb megközelítése a ritkán használt vagy nem használt kodonok átsorolása [25] . Ideális esetben a genetikai kódot egy kodonnal megnövelik, ezáltal felszabadítják korábbi funkcióját, és átváltanak egy nem kanonikus aminosav (ncAA) kódolására ("kódkiterjesztés"). Mivel ezeket a módszereket munkaigényes megvalósítani, lehetőség van rövidebb utak („kódfejlesztés”) alkalmazására, például egy adott aminosavhoz auxotróf baktériumokban, amelyek a kísérletben a kanonikus aminosavak helyett izostrukturális analógokat kapnak. Ebben a helyzetben a natív fehérjékben a kanonikus aminosav-maradékokat ncAA-k helyettesítik. Még több különböző ncAA-t is be lehet vinni ugyanabba a fehérjébe [26] . Végül a 20 kanonikus aminosavból álló halmaz nemcsak bővíthető, hanem 19-re is csökkenthető [27] . A kodonspecifitás megváltoztatható a transzfer RNS (tRNS)/aminoacil-tRNS-szintetáz pár újbóli hozzárendelésével. Az ilyen aminoacil-tRNS szintetázokkal rendelkező sejtek így képesek olyan mRNS -szekvenciákat olvasni , amelyek a jelenlegi génexpressziós rendszer által nem olvashatók [28] . Kodonváltás: a tRNS szintetáz párok elősegíthetik a nem kanonikus aminosavak fehérjékbe való beépülését in vivo [29] [30] . A múltban a kodon-átcsoportosítás többnyire korlátozott mértékben történt. Azonban 2013-ban Farren Isaacs és George Church, a Harvard Egyetem arról számolt be, hogy az E. coli genomban mind a 314 TAG stopkodont szinonim TAA kodonokra cseréltek, bizonyítva, hogy a magasabb rendű törzsekben hatalmas szubsztitúciók hajthatók végre a törzs életképességének megőrzése mellett [31]. . A kodoncsere sikerét követően a szerzők előreléptek, és 13 kodont programoztak át a genomban, közvetlenül érintve 42 fő gént [32] .

Még radikálisabb változások a genetikai kódban a triplet kodonról a négyes kodonra, sőt a pentaplet kodonokra való áttérés a sejtmentes rendszerekben [33] , Schultz pedig baktériumsejtekben [34] . Végül a nem természetes bázispárok felhasználhatók új aminosav bejuttatására a fehérjékbe [35] .

Irányított evolúció

A DNS XNS-sel való helyettesítése más módon is megvalósítható, nevezetesen a környezet megváltoztatásával a genetikai modulok helyett. Ezt a megközelítést sikeresen demonstrálta Marlier és Mutzel: létrehoztak egy E. coli törzset, amelynek DNS-e a standard A, C és G nukleotidokból áll, de a DNS szekvencia megfelelő helyein megtalálható a szintetikus timin analóg 5-chlorouracil is. Ezek a sejtek ezután külső 5-klóruraciltól függenek a növekedésben, de egyébként úgy néznek ki és úgy viselkednek, mint egy normál E. coli törzs. Ez a megközelítés tehát két gátat állít a más baktériumokkal való kölcsönhatások elé, mivel a törzs auxotróf egy nem természetes kémiai vegyülethez képest, és olyan DNS-formát tartalmaz, amelyet más organizmusok nem tudnak megfejteni [36] .

Biosecurity

A xenobiológiai rendszereket úgy tervezték, hogy ortogonalitást adjanak a természetes biológiai rendszereknek. Egy hipotetikus organizmus, amely XNA -t [37] , más bázispárokat és polimerázokat tartalmaz, és genetikai kódja megváltozott, valószínűleg nem tud genetikai szinten kölcsönhatásba lépni a természetes életformákkal. Így ezek a xenobiológiai szervezetek olyan genetikai enklávéot képviselnek, amely nem tud információt cserélni a természetes sejtekkel [38] . A sejtek genetikai apparátusának megváltoztatása szemantikai elzáródáshoz vezet. Az informatikai információfeldolgozás analógiájára ezt a biztonsági koncepciót "genetikus tűzfalnak" nevezik [4] [39] . A „genetikus tűzfal” koncepciója számos korábbi biztonsági rendszer korlátját leküzdheti [40] [41] . Ennek az elméleti koncepciónak az első kísérleti bizonyítékát 2013-ban szerezték meg egy „genome recoded organism” (GRO) létrehozásával. Ebben az organizmusban az E. coliban lévő összes ismert UAG stopkodont UAA kodonra cserélték, ami lehetővé tette a transzlációs funkció átrendelését az UAG kodonhoz. A GPO fokozott rezisztenciát mutatott a T7 bakteriofággal szemben, ami azt mutatja, hogy az alternatív genetikai kódok csökkentik a genetikai kompatibilitást [42] . Ez a csoportházirend-objektum azonban továbbra is nagyon hasonlít természetes „őséhez”, és nem tekinthető „genetikai tűzfalnak”. A nagyszámú triplet funkcióinak átrendelésének képessége lehetővé teszi olyan törzsek kifejlesztését, amelyek kombinálják az XNS-eket, új bázispárokat, új genetikai kódokat stb., és amelyek nem tudnak információt cserélni a természetes biológiai világgal. Míg a "genetikai tűzfal" szemantikai elszigetelési mechanizmusokat valósíthat meg új szervezetekben, az új biokémiai rendszereket még mindig értékelni kell az új toxinok és xenobiotikumok vonatkozásában [43] [44] .

Irányítási és szabályozási ügyek

A xenobiológia kihívást jelenthet a szabályozási keret számára, mivel jelenleg a törvények és irányelvek foglalkoznak a genetikailag módosított organizmusokkal, de nem tesznek kifejezetten említést a kémiailag vagy genomilag módosított szervezetekről. Tekintettel arra, hogy az elkövetkező években a valóságban nem várható xenobiológiai organizmusok megjelenése, a jogszabálynak van egy kis ideje felkészülni a menedzsment szintjén várható változásokra. 2012 óta az Egyesült Államokban működő politikai tanácsadók [45] , négy európai nemzeti biológiai biztonsági bizottság [46] és az Európai Molekuláris Biológiai Szervezet [47] felbukkanó irányítási problémaként jelölték meg ezt a témát.

Lásd még

Linkek

  1. ↑ Pinheiro, VB és Holliger, P., 2012. Az XNA világa: Haladás a szintetikus genetikai polimerek replikációja és evolúciója felé. Current Opinion in Chemical Biology, 16, 245
  2. ↑ Bain, JD, Switzer, C., Chamberlin, R. és Steven A. Bennert, SA (1992). Nem szabványos aminosav riboszóma által közvetített beépülése egy peptidbe a genetikai kód kiterjesztésével, Nature 356, 537-539
  3. ↑ Noren, CJ, Anthony-Cahill, SJ, Griffith, MC, Schultz, PG (1989). Általános módszer a nem természetes aminosavak fehérjékbe való helyspecifikus beépítésére. Tudomány 44, 82-88
  4. ↑ 1 2 Schmidt M. Xenobiology: a végső új életforma, mint a biológiai biztonság eszköze Archiválva : 2021. március 27., a Wayback Machine Bioessays Vol 32(4):322-331
  5. ↑ Pace NR. 2001. A biokémia univerzális természete. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 98:805-8.
  6. ↑ Wiltschi, B. és N. Budisa, Natural History and experimental evolution of the genetic code. Alkalmazott Mikrobiológia és Biotechnológia, 2007. 74: p. 739-753
  7. ↑ Herdewijn P, Marlière P. A biztonságos genetikailag módosított szervezetek felé a nukleinsavak kémiai diverzifikációján keresztül. Chem Biodivers. 2009 június; 6(6):791-808.
  8. ↑ Eschenmoser, A. (1999) A nukleinsavszerkezet kémiai etiológiája. Tudomány. 284, 2118-2124.
  9. ↑ Vastmans K, Froeyen M, Kerremans L, et al. (2001). 1,5-anhidrohexitol nukleotidok reverz transzkriptáz beépülése. Nucleic Acids Res 29:3154-63. 42
  10. ↑ Jang, M et al. (2013). A DNS polimeráz szintetikus szubsztrátja, amely eltér a bázisoktól, a cukortól és a kanonikus dezoxinukleozid-trifoszfátok kilépő csoportjától. Chemistry & Biology, 20(3), art. nem. 10.1016/j. chembiol.2013.02.010, 416-23
  11. ↑ Pinheiro, VB és Holliger, P., (2012) Az XNA világa: Haladás a szintetikus genetikai polimerek replikációja és evolúciója felé. Current Opinion in Chemical Biology, 16, 245
  12. ↑ Pinheiro, VB, Loakes, D. és Holliger, P. (2013) Szintetikus polimerek és potenciáljuk genetikai anyagokként. Bioesszék, 35, 113
  13. ↑ Ichida JK, Horhota A, Zou K et al. (2005). Nagy pontosságú TNA szintézis Therminator polimeráz segítségével. Nucleic Acids Res 33, 5219-25
  14. ↑ Kempeneers V, Renders M, Froeyen M, et al. (2005). A DNS-függő ciklohexenil nukleinsav polimerizáció és a ciklohexenil nukleinsav függő DNS polimerizáció vizsgálata. Nucleic Acids Res. 33:3828-36
  15. ↑ Pochet S. et al. (2003). A hexitololigonukleotidok replikációja egy harmadik típusú nukleinsav in vivo szaporításának előjátékaként. Comptes Rendus Biologies. 326:1175-1184
  16. ↑ Pezo V. et al. (2012). Bináris genetikai kazetták az XNA-sablonos DNS-szintézis in vivo kiválasztásához Archiválva : 2021. március 27., a Wayback Machine -nél . Angew Chem. 52, 8139-8143
  17. ↑ Krueger A.T. et al. (2011). Fenotípus kódolása baktériumokban alternatív genetikai készlettel archiválva 2019. november 29-én a Wayback Machine -nél . J. Am. Chem. szoc. 133(45):18447-18451
  18. ↑ Sismour, A.M. et al. (2004) Nem szabványos bázispárokat tartalmazó DNS PCR-amplifikációja a Human Immunodeficiency Virus-1-ből származó reverz transzkriptáz variánsaival. Nucleic Acids Res. 32, 728-735
  19. ↑ Yang, Z., Hutter, D., Sheng, P., Sismour, AM és Benner, SA (2006) Mesterségesen kiterjesztett genetikai információs rendszer: új bázispár alternatív hidrogénkötési mintával. Nucleic Acids Res. 34, 6095-6101
  20. ↑ Yang, Z., Sismour, AM, Sheng, P., Puskar, NL és Benner, SA (2007) Egy harmadik nukleobázispár enzimatikus beépülése. Nucleic Acids Res. 35, 4238-4249
  21. ↑ Leconte, AM, Hwang, GT, Matsuda, S., Capek, P., Hari, Y. és Romesberg, FE (2008) Természetellenes bázispár felfedezése, jellemzése és optimalizálása a genetikai ábécé kiterjesztéséhez. J. Am. Chem. szoc. 130, 2336-2343
  22. ↑ Sismour, AM és Benner, SA (2005) A timidin analógok használata egy extra DNS-bázispár replikációjának javítására: szintetikus biológiai rendszer. Nucleic Acids Res. 33, 5640-5646
  23. ↑ Havemann, SA, Hoshika, S., Hutter, D. és Benner, SA (2008) Több szekvenciális pszeudotimidinek beépítése DNS polimerázok által és hatásuk a DNS duplex szerkezetére. Nucleosides Nucleotides Nucleic Acids 27, 261-278
  24. ↑ Pinheiro VB et al. (2012) Szintetikus genetikai polimerek, amelyek öröklődésre és evolúcióra képesek. Science 336: 341-344
  25. ↑ Budisa, N. (2005). A genetikai kód tervezése – Az aminosav-repertoár bővítése az új fehérjék tervezéséhez, WILEY-VHC Weinheim, New York, Brisbane, Szingapúr, Toronto
  26. ↑ Hoesl, MG, Budisa, N., (2012). Az Escherichia coli genetikai kódjavításának legújabb eredményei. Curr. Opin. Biotechnol. 23, 751-757
  27. ↑ Pezo, V., Guérineau, V., Le Caer, J.-P., Faillon, L., Mutzel, R. & Marlière, P. (2013). Metabolikus prototípus a triptofán eltávolítására a genetikai copde-ból. Scientific Reports 3: 1359
  28. ↑ Rackham, O. és Chin, JW (2005) Egy ortogonális riboszóma mRNS-párok hálózata. Nat. Chem. Biol. 1, 159-166
  29. ↑ Wang, L., Brock, A., Herberich, B. és Schultz, PG (2001) Expanding the genetic code of Escherichia coli. Science 292, 498-500
  30. ↑ Hartman, MC, Josephson, K., Lin, CW és Szostak, JW (2007) Aminosav-analógok kiterjesztett készlete nem természetes peptidek riboszomális transzlációjához. PLoS ONE 2, e972
  31. ↑ Isaacs FJ et al. (2013) A kromoszómák precíz manipulációja in vivo lehetővé teszi az egész genomra kiterjedő kodonpótlást. 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. Tudomány. 342(6156):361-3
  33. ↑ Hohsaka T, Sisido M. (2002) Nem természetes aminosavak beépítése fehérjékbe. Curr Opin Chem. Biol. 6, 809-815
  34. ↑ Anderson, JC, Wu, N., Santoro, SW, Lakshman, V., King, DS és Schultz, PG (2004) Kibővített genetikai kód funkcionális négyes kodonnal. 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). Természetellenes bázispár aminosav-analógok fehérjékbe való beépítéséhez. Nat Biotechnol, 20, 177-182
  36. ↑ Marliere P et al. (2011) A baktérium genomjának kémiai evolúciója. Angewandte Chemie Int. Szerk. 50(31): 7109-7114
  37. ↑ Herdewijn, P. és Marliere, P. (2009) A biztonságos genetikailag módosított szervezetek felé a nukleinsavak kémiai diverzifikációján keresztül. Chem. biológiai búvárok. 6, 791-808
  38. ↑ Marliere, P. (2009) Minél távolabb, annál biztonságosabb: kiáltvány a szintetikus fajok biztonságos eligazításához a régi élővilágtól . Archiválva 2021. február 21-én a Wayback Machine -nél . Syst. Szint. Biol. 3, 77-84
  39. ↑ Acevedo-Rocha CG, Budisa N (2011). Úton a genetikai tűzfallal felruházott kémiailag módosított szervezetek felé. Angewandte Chemie International Edition. 50(31):6960-6962
  40. ↑ Moe-Behrens GH, Davis R, Haynes KA. (2013) Szintetikus biológia előkészítése a világ számára Archiválva : 2021. március 27., a Wayback Machine Front Microbiol. 2013; 4:5
  41. ↑ Wright O, Stan GB, Ellis T. (2013) Biosafety beépítése a szintetikus biológiához  (hivatkozás nem hozzáférhető) Mikrobiológia. 159(7):1221-35
  42. ↑ Lajoie MJ et al. A genomilag újrakódolt organizmusok kiterjesztik biológiai funkcióikat. Science, 2013, 342(6156):357-60
  43. ↑ Schmidt M, Pei L. 2011. Szintetikus Toxikológia: Ahol a mérnöki tudás találkozik a biológiával és a toxikológiával Archivált 2021. március 27-én, a Wayback Machine Toxicological Sciences-nél. 120(S1), S204-S224
  44. ↑ Schmidt M. 2013. A genetikai tűzfal védelme xenobiológiával. In: ISGP. 2013. 21st Century Borders/Synthetic Biology: Focus on Responsibility and Governance.
  45. ↑ ISGP. 2013. 21st Century Borders/Synthetic Biology: Focus on Responsibility and Governance Archiválva : 2013. december 2. p.55-65
  46. ↑ Pauwels K. et al. (2013) Eseményjelentés: SynBio Workshop (Párizs 2012) - A Synthetic Biology kockázatértékelési kihívásai. Journal für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit. DOI 10.1007/s00003-013-0829-9
  47. ↑ Garfinkel M. (2013) Szintetikus mikroorganizmusok biológiai elszigetelése: tudomány és politika Archiválva : 2021. április 3., a Wayback Machine jelentés egy ESF/LESC stratégiai műhelyről