Ксенонуклеиновая кислота – Жизнь без ДНК и РНК: Созданы искусственные ферменты, которые приведут к появлению новых организмов

Ксенонуклеиновые кислоты — vechnayamolodost.ru

ХНК не хуже ДНК
Созданы искусственные хранилища генетической информации –
альтернативы природным ДНК и РНК

Григорий Колпаков, Газета.Ru

Альтернатива натуральным носителям генетической информации РНК и ДНК – ксенонуклеиновые кислоты, способные передавать генетическую информацию, синтезированы в лаборатории. Их можно превращать в различные биологически полезные формы с помощью «направленной эволюции» и использовать в качестве биосенсоров.

Международная группа исследователей из США, Великобритании, Бельгии и Дании опубликовала в последнем номере журнала Science сообщение о синтезированных ими молекулах, которые могут выступать в качестве альтернатив природным носителям генетической информации – РНК и ДНК (Pinheiro et al., Synthetic Genetic Polymers Capable of Heredity and Evolution).

Вопрос о том, могут ли существовать подобные альтернативы, давно был предметом многих исследований и ожесточенных дебатов в научном сообществе. Непосредственное участие в них принимал и Джон Чепэт, биохимик из Института биосинтеза при Университете Южной Аризоны.

Недавно он предположил, что одной из таких альтернатив может стать нуклеиновая кислота треозы (треоза – один из простейших сахаров с формулой C

4H₈O₄). Теперь он продолжил развитие своих исследований в составе европейской группы, занятой более общим вопросом – ксенонуклеиновыми кислотами (XNA), то есть чужеродными нуклеиновыми кислотами, молекулами, в природе не существующими, но точно так же, как РНК и ДНК, способными хранить и передавать генетическую информацию. Сегодня эта группа впервые продемонстрировала созданный ею набор из шести таких «неестественных» полимеров нуклеиновой кислоты.

Создание на их основе ксеносуществ, первым приходящее в голову журналистам, слишком пока фантастично и нереально, и его исследователи, естественно, даже не рассматривали. Им хватило и того, что можно сделать с XNA в настоящее время. Оказалось, что одну из них можно превращать в различные биологически полезные формы с помощью «направленной эволюции».

Так, в лаборатории были также созданы так называемые аптамеры нуклеиновых кислот, своеобразные химические датчики, рецепторы, которые реагируют на появление определенного химического соединения. В обычной генетике они используются, в частности, для поиска повреждений в ДНК или реагируют на появление соединения, на которое они настроены выключением соответствующего гена. Созданные группой ксено-аптамеры способны не только на участие в подобных генетических процессах, они могут работать по принципу антител, с высокой эффективностью находя и связывая соответствующие молекулы.

Джон Чепэт утверждает, что XNA можно будет использовать при создании новых типов диагностики и новых ксено-биосенсоров, которые смогут работать даже успешнее, чем природные, поскольку естественные ферменты-охранники, настроенные разрушать чужие ДНК и РНК, их просто не увидят.

Экспериментальная ксенобиология, новая наука, начало которой положено этой работой, по словам Чепэта, позволит в будущем создавать прежде невиданные терапевтические методы. Эта работа по ксенонуклеиновым кислотам дает возможный ответ еще на один вопрос, который десятилетиями мучает генетиков: как на Земле появились ДНК и РНК.

В конце прошлого века ученые выяснили, что ДНК, вероятнее всего, появилась после менее сложной РНК, но вот как в природе могла быть синтезирована РНК, тоже сложнейшая молекула, они не понимали. Академик Александр Спирин, один из главных в мире специалистов по РНК, утверждал как-то, что он потратил два года жизни на этот вопрос, и выяснил, что случайный синтез РНК мог произойти за время, намного большее, чем время жизни Вселенной. Вероятность такого события намного меньше, чем вероятность того, что обезьяна, шлепая по клавишам, напишет «Войну и Мир».

По одной из гипотез, молекулам РНК предшествовали более простые молекулы – пре-РНК, но у нее было множество нестыковок, которые прекрасным образом убираются, если предположить, что посредником между пре-РНК и РНК было какое-то ксеногенетическое соединение – ксено-нуклеиновая кислота.

Таким посредником, по утверждению Чепэта, вполне могла быть его любимая нуклеиновая кислота треозы (ТНК). Обладая способностью работать с четырьмя нуклеотидами, четырьмя буквами, составляющими генетический алфавит – А, С, Т и G – по законам, установленным еще Уотсоном и Криком, открывшими двойную спираль ДНК, эта ТНК могла исполнить роль синхронного переводчика, передавшего информацию из мира пре-РНК в мир РНК.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
20.04.2012

www.vechnayamolodost.ru

Ксенонуклеиновая кислота Википедия

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].

Разница между ксено- , экзо-, и астро-

«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].

Цели ксенобиологии

• Потенциал ксенобиологии заключается в возможности выявить фундаментальные знания о биологии и происхождении жизни. Для того, чтобы лучше понять происхождение жизни, необходимо знать, почему жизнь развилась от РНК к системе ДНК-РНК-белок и её универсальному генетическому коду^[5]. Было ли это эволюционной «случайностью», или некие факторы исключили появление других типов химических систем? Тестирование альтернативных биохимических «первичных супов» может помочь лучше понять принципы, породившие жизнь в том виде, в котором мы её знаем сейчас.
• Ксенобиология является подходом к разработке промышленной производственной системы с новыми возможностями посредством создания усиленных биополимеров и сопротивляемости патогенам. Генетический код кодирует во всех организмах 20 канонических аминокислот, которые используются для биосинтеза белка. В редких случаях, специальные аминокислоты, такие как селеноцистеин, пирролизин или селенометионин могут быть включены в белки в процессе биосинтеза у некоторых организмов
  [6]. Использование дополнительных аминокислот из более 700 известных биохимии дает возможность создать измененные белки с более эффективными каталитическими или физическими функциями. Целью финансируемого ЕС проекта METACODE, например, является включение метатезиса (полезная каталитическая функция, до сих пор не известная в живых организмах) в бактериальные клетки. Другая причина, по которой КБ может улучшить производственные процессы, заключается в возможности снижения риска заражения вирусом или бактериофагом в процессе культивации, поскольку КБ клетки больше не будут являться подходящим хозяином, что делает их более устойчивыми к заражению (подход, называемый «семантическое сдерживание»).
• Ксенобиология предоставляет возможность спроектировать «генетический брандмауэр», новую систему биологического сдерживания, которые могут помочь укрепить и диверсифицировать современные подходы био-сдерживания. Одной из проблем в традиционной генной инженерии и биотехнологии является горизонтальный перенос генов в окружающую среду и возможные риски для здоровья человека. Одной из основных идей в КБ является разработка альтернативных генетических кодов и биохимических систем таким образом, что горизонтальный перенос генов становится невозможным. Кроме того, альтернативные биохимические системы также позволяют создавать новых синтетических ауксотрофов (организмы, которые не способны синтезировать определенное органическое соединение, необходимое для собственного роста). Цель их создания состоит в том, чтобы сконструировать ортогональную биологическую систему, которая была бы несовместима с природными генетическими системами
  [7].

Научный подход

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.

Ксенонуклеиновые кислоты (КсНК)

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].

Расширение генетического алфавита

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].

Новые полимеразы

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].

Разработка генетического кода

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].

Направленная эволюция

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].

Биобезопасность

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].

Управление и Регуляторные вопросы

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.

См. также

Ссылки

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. ↑ ^{1 2} 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. ↑ 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
40. ↑ Moe-Behrens GH, Davis R, Haynes KA. (2013) Preparing synthetic biology for the world Front Microbiol. 2013;4:5
41. ↑ Wright O, Stan GB, Ellis T. (2013) Building-in biosafety for synthetic biology (недоступная ссылка) Microbiology. 159 (7):1221-35
42. ↑ Lajoie MJ, et al. Genomically Recoded Organisms Expand Biological Functions. Science, 2013, 342(6156):357-60
43. ↑ Schmidt M, Pei L. 2011. Synthetic Toxicology: Where engineering meets biology and toxicology Toxicological Sciences. 120(S1), S204-S224
44. ↑ Schmidt M. 2013. Safeguarding the Genetic Firewall with Xenobiology. 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 Архивировано 2 декабря 2013 года. p.55-65
46. ↑ 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
47. ↑ Garfinkel M. (2013) Biological containment of synthetic microorganisms: science and policy Report on a ESF/LESC Strategic Workshop

wikiredia.ru

Ксенонуклеиновая кислота Википедия

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 ^[2] и включение не-протеиногенных аминокислот в белки^[3].

Разница между ксено- , экзо-, и астро-[ | ]

«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 ом на планете Земля^[4].

Цели ксенобиологии[ | ]

• Потенциал ксенобиологии заключается в возможности выявить фундаментальные знания о биологии и происхождении жизни. Для того, чтобы лучше понять происхождение жизни, необходимо знать, почему жизнь развилась от РНК к системе ДНК-РНК-белок и её универсальному генетическому у^[5]. Было ли это эволюционной «случайностью», или некие факторы исключили появление других типов химических систем? Тестирование альтернативных биохимических «первичных супов» может помочь лучше понять принципы, породившие жизнь в том виде, в котором мы её знаем сейчас.
• Ксенобиология является подходом к разработке промышленной производственной системы с новыми возможностями посредством создания усиленных биополимеров и сопротивляемости патогенам. Генетический ирует во всех организмах 20 канонических аминокислот, которые используются для биосинтеза белка. В редких случаях, специальные аминокислоты, такие как селеноцистеин, пирролизин или селенометионин могут быть включены в белки в процессе биосинтеза у некоторых организмов^[6]. Использование дополнительных аминокислот из более 700 известных биохимии дает возможность создать измененные белки с более эффективными каталитическими или физическими функциями. Целью финансируемого ЕС проекта METACODE, например, является включение метатезиса (полезная каталитическая функция, до сих пор не известная в живых организмах) в бактериальные клетки. Другая причина, по которой КБ может улучшить производственные процессы, заключается в возможности снижения риска заражения вирусом или бактериофагом в процессе культивации, поскольку КБ клетки больше не будут являться подходящим хозяином, что делает их более устойчивыми к заражению (подход, называемый «семантическое сдерживание»).
• Ксенобиология предоставляет возможность спроектировать «генетический брандмауэр», новую систему биологического сдерживания, которые могут помочь укрепить и диверсифицировать современные подходы био-сдерживания. Одной из проблем в традиционной генной инженерии и биотехнологии является горизонтальный перенос генов в окружающую среду и возможные риски для здоровья человека. Одной из основных идей в КБ является разработка альтернативных генетических ов и биохимических систем таким образом, что горизонтальный перенос генов становится невозможным. Кроме того, альтернативные биохимические системы также позволяют создавать новых синтетических ауксотрофов (организмы, которые не способны синтезировать определенное органическое соединение, необходимое для собственного роста). Цель их создания состоит в том, чтобы сконструировать ортогональную биологи

ru-wiki.ru

Ксенонуклеиновая кислота Вики

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].

Разница между ксено- , экзо-, и астро-[ | код]

«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].

Цели ксенобиологии[ | код]

• Потенциал ксенобиологии заключается в возможности выявить фундаментальные знания о биологии и происхождении жизни. Для того, чтобы лучше понять происхождение жизни, необходимо знать, почему жизнь развилась от РНК к системе ДНК-РНК-белок и её универсальному генетическому коду^[5]. Было ли это эволюционной «случайностью», или некие факторы исключили появление других типов химических систем? Тестирование альтернативных биохимических «первичных супов» может помочь лучше понять принципы, породившие жизнь в том виде, в котором мы её знаем сейчас.
• Ксенобиология является подходом к разработке промышленной производственной системы с новыми возможностями посредством создания усиленных биополимеров и сопротивляемости патогенам. Генетический код кодирует во всех организмах 20 канонических аминокислот, которые используются для биосинтеза белка. В редких случаях, специальные аминокислоты, такие как селеноцистеин, пирролизин или селенометионин могут быть включены в белки в процессе биосинтеза у некоторых организмов^[6]. Использование дополнительных аминокислот из более 700 известных биохимии дает возможность создать измененные белки с более эффективными каталитическими или физическими функциями. Целью финансируемого ЕС проекта METACODE, например, является включение метатезиса (полезная каталитическая функция, до сих пор не известная в живых организмах) в бактериальные клетки. Другая причина, по которой КБ может улучшить производственные процессы, заключается в возможности снижения риска заражения вирусом или бактериофагом в процессе культивации, поскольку КБ клетки больше не будут являться подходящим хозяином, что делает их более устойчивыми к заражению (подход, называемый «семантическое сдерживание»).
• Ксенобиология предоставляет возможность спроектировать «генетический брандмауэр», новую систему биологического сдерживания, которые могут помочь укрепить и диверсифицировать современные подходы био-сдерживания. Одной из проблем в традиционной генной инженерии и биотехнологии является горизонтальный перенос генов в окружающую среду и возможные риски для здоровья человека. Одной из основных идей в КБ является разработка альтернативных генетических кодов и биохимических систем таким образом, что горизонтальный перенос генов становится невозможным. Кроме того, альтернативные биохимические системы также позволяют создавать новых синтетических ауксотрофов (организмы, которые не способны синтезировать определенное органическое соединение, необходимое для собственного роста). Цель их создания состоит в том, чтобы сконструировать ортогональную биологическую систему, которая была бы несовместима с природными генетическими системами^[7].

Научный подход[ | код]

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.

Ксенонуклеиновые кислоты (КсНК)[ | код]

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].

Расширение генетического алфавита[ | код]

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].

Новые полимеразы[ | код]

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].

Разработка генетического кода[ | код]

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].

Направленная эволюция[ | код]

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].

Биобезопасность[ | код]

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].

Управление и Регуляторные вопросы[ | код]

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.

См. также[ | код]

Ссылки[ | 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. ↑ ^{1 2} 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. ↑ 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
40. ↑ Moe-Behrens GH, Davis R, Haynes KA. (2013) Preparing synthetic biology for the world Front Microbiol. 2013;4:5
41. ↑ Wright O, Stan GB, Ellis T. (2013) Building-in biosafety for synthetic biology (недоступная ссылка) Microbiology. 159 (7):1221-35
42. ↑ Lajoie MJ, et al. Genomically Recoded Organisms Expand Biological Functions. Science, 2013, 342(6156):357-60
43. ↑ Schmidt M, Pei L. 2011. Synthetic Toxicology: Where engineering meets biology and toxicology Toxicological Sciences. 120(S1), S204-S224
44. ↑ Schmidt M. 2013. Safeguarding the Genetic Firewall with Xenobiology. 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 Архивировано 2 декабря 2013 года. p.55-65
46. ↑ 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
47. ↑ Garfinkel M. (2013) Biological containment of synthetic microorganisms: science and policy Report on a ESF/LESC Strategic Workshop

ru.wikibedia.ru

КНК не хуже ДНК

Альтернатива натуральным носителям генетической информации РНК и ДНК – ксенонуклеиновые кислоты, способные передавать генетическую информацию, синтезированы в лаборатории. Их можно превращать в различные биологически полезные формы с помощью «направленной эволюции» и использовать в качестве биосенсоров.

Международная группа исследователей из США, Великобритании, Бельгии и Дании опубликовала в последнем номере журнала Science сообщение о синтезированных ими молекулах, которые могут выступать в качестве альтернатив природным носителям генетической информации – РНК и ДНК.

Вопрос о том, могут ли существовать подобные альтернативы, давно был предметом многих исследований и ожесточенных дебатов в научном сообществе. Непосредственное участие в них принимал и Джон Чепэт, биохимик из Института биосинтеза при Университете Южной Аризоны.

Недавно он предположил, что одной из таких альтернатив может стать нуклеиновая кислота треозы (треоза – один из простейших сахаров с формулой C4H8O4).

Теперь он продолжил развитие своих исследований в составе европейской группы, занятой более общим вопросом – ксенонуклеиновыми кислотами (XNA), то есть чужеродными нуклеиновыми кислотами, молекулами, в природе не существующими, но точно так же, как РНК и ДНК, способными хранить и передавать генетическую информацию.

Сегодня эта группа впервые продемонстрировала созданный ею набор из шести таких «неестественных» полимеров нуклеиновой кислоты.

Создание на их основе ксеносуществ, первым приходящее в голову журналистам, слишком пока фантастично и нереально, и его исследователи, естественно, даже не рассматривали.

Им хватило и того, что можно сделать с XNA в настоящее время. Оказалось, что одну из них можно превращать в различные биологически полезные формы с помощью «направленной эволюции».

Так, в лаборатории были также созданы так называемые аптамеры нуклеиновых кислот, своеобразные химические датчики, рецепторы, которые реагируют на появление определенного химического соединения. В обычной генетике они используются, в частности, для поиска повреждений в ДНК или реагируют на появление соединения, на которое они настроены выключением соответствующего гена. Созданные группой ксено-аптамеры способны не только на участие в подобных генетических процессах, они могут работать по принципу антител, с высокой эффективностью находя и связывая соответствующие молекулы.

Джон Чепэт утверждает, что XNA можно будет использовать при создании новых типов диагностики и новых ксено-биосенсоров, которые смогут работать даже успешнее, чем природные, поскольку естественные ферменты-охранники, настроенные разрушать чужие ДНК и РНК, их просто не увидят.

Экспериментальная ксенобиология, новая наука, начало которой положено этой работой, по словам Чепэта, позволит в будущем создавать прежде невиданные терапевтические методы.

Эта работа по ксенонуклеиновым кислотам дает возможный ответ еще на один вопрос, который десятилетиями мучает генетиков: как на Земле появились ДНК и РНК.

В конце прошлого века ученые выяснили, что ДНК, вероятнее всего, появилась после менее сложной РНК, но вот как в природе могла быть синтезирована РНК, тоже сложнейшая молекула, они не понимали. Академик Александр Спирин, один из главных в мире специалистов по РНК, утверждал как-то, что он потратил два года жизни на этот вопрос, и выяснил, что случайный синтез РНК мог произойти за время, намного большее, чем время жизни Вселенной. Вероятность такого события намного меньше, чем вероятность того, что обезьяна, шлепая по клавишам, напишет «Войну и Мир».

По одной из гипотез, молекулам РНК предшествовали более простые молекулы – пре-РНК, но у нее было множество нестыковок, которые прекрасным образом убираются, если предположить, что посредником между пре-РНК и РНК было какое-то ксеногенетическое соединение – ксено-нуклеиновая кислота.

Таким посредником, по утверждению Чепэта, вполне могла быть его любимая нуклеиновая кислота треозы (ТНК).

Обладая способностью работать с четырьмя нуклеотидами, четырьмя буквами, составляющими генетический алфавит – А, С, Т и G – по законам, установленным еще Уотсоном и Криком, открывшими двойную спираль ДНК, эта ТНК могла исполнить роль синхронного переводчика, передавшего информацию из мира пре-РНК в мир РНК.

Источник

scientifically.info

Ксенобиологии | Info-Farm.RU

Ксенобиологии (КБ) — это подразделение синтетической биологии, которая изучает создания и управления биологическими устройствами и системами. Термин «ксенобиологии» происходит от древнегреческого ξενος и означает «чужой, гость». Таким образом, КБ описывает форму биологии, (пока) не знакомую науке, и которая не встречающийся в природе. На практике это означает новые биологические и биохимические системы, которые отличаются от канонической системы ДНК-РНК-20 аминокислот. Например, вместо ДНК или РНК, КБ исследует аналоги нуклеиновых кислот, которые называются ксенонуклеинови кислоты (КСНК), как носители информации. Она также исследует расширенный генетический код и включение никак протеиногенным аминокислот в белки.

Разница между ксено-, экзо, и астро-

«Астро» означает «звезда», а «экзо» означает «снаружи». И экзо и астробиология занимаются поиском жизни, естественно эволюционировало во Вселенной, в основном на других планетах «Голдилок» зон (навколозиркових пригодных для существования зон). В то время как астробиологи занимаются выявлением и анализом (гипотетически) существующего жизни во Вселенной, ксенобиологии усилий для разработки форм жизни с другой биохимией или иным генетическим кодом на планете Земля.

Цели ксенобиологии

• Потенциал ксенобиологии заключается в возможности выявить фундаментальные знания о биологии и происхождения жизни. Для того, чтобы лучше понять происхождение жизни, необходимо знать, почему жизнь развилось от РНК к системе ДНК-РНК-белок и его универсального генетического кода. Это была эволюционная «случайность», или определенные факторы исключили появление других типов химических систем? Тестирование альтернативных биохимических «первичный бульон» может помочь лучше понять принципы, которые породили жизнь в том виде, в каком мы его знаем сейчас.
• Ксенобиологии — это подход к разработке промышленной производственной системы с новыми возможностями посредством создания усиленных биополимеров и противодействия патогенам. Генетический код кодирует во всех организмах 20 канонических аминокислот, которые используются для биосинтеза белка. Иногда специальные аминокислоты, такие как селеноцистеин, пирролизин или селенометионин, могут быть включены в белки в процессе биосинтеза в некоторых организмов. Использование дополнительных аминокислот из более чем 700 известных биохимии позволяет создать измененные белки с более эффективными каталитическими или физическими функциями. Например, целью проекта METACODE, финансируемый ЕС, является включение метатезиса (полезная каталитическая функция, до сих пор неизвестна в живых организмах) в бактериальные клетки. Другая причина, по которой КБ может улучшить производственные процессы, заключается в возможности снижения риска заражения вирусом или бактериофагом в процессе культивации, поскольку КБ клетки будут более устойчивыми к заражению (подход, что называется «семантическое сдерживания»).
• Ксенобиологии позволяет зпроектуваты «генетический брандмауэр», новую систему биологического сдерживания, которая может помочь укрепить и диверсифицировать современные подходы к био-сдерживания. Одной из проблем в традиционной генной инженерии и биотехнологии является горизонтальное переноса генов в окружающую среду и возможные риски для здоровья человека. Одной из основных идей в КБ является разработка альтернативных генетических кодов и биохимических систем таким образом, что горизонтальное переноса генов становится невозможным. Кроме того, альтернативные биохимические системы также позволяют создавать новых синтетических ауксотрофы (организмы, способные синтезировать определенные органические соединения, необходимые для собственного роста). Цель их создания заключается в том, чтобы сконструировать ортогональную биологическую систему, несовместимую с природными генетическими системами.

Научный подход

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, отражая, таким образом, другой генетический код. Долгосрочная цель заключается в создании клетки, которая будет сохранять свою генетическую информацию не в ДНК, но в альтернативном информационном полимере, который состоит из КСНК, других пар оснований, с использованием неканонических аминокислот и измененного генетического кода. На данный момент создано клетки, которые включают только одну или две из этих функций.

Ксенонуклеинови кислоты (КСНК)

Сначала исследования 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. Систематические экспериментальные исследования, направленные на диверсификацию химической структуры нуклеиновых кислот, привели к созданию совершенно новых информационных биополимеров. На данный момент синтезирований ряд КСНК на базе новых химических основ или мотивов ДНК, например гексозонуклеинова кислота (ГУК), треозонуклеинова кислота (ТНК), гликольнуклеинова кислота (ГлНК), циклогексенилнуклеинова кислота (ЦНК). Включение КсНА в плазмиды с использованием трех кодонов ГНК состоялось в 2003 году. Эта КСНК используется in vivo (E. coli) в качестве матрицы для синтеза ДНК. В это исследование, которое использовало двойную (G / T) генетическую кассету и две основы, которые не входят в состав ДНК (Hs / U), были включены также ЦНК. ГлНК сейчас слишком чужеродной для естественной биологической системы, чтобы быть шаблоном для синтеза ДНК. Дополнительные основания, используют природный каркас ДНК, могут также быть транслитерированные в естественную ДНК, хотя и в более ограничительно степени.

Расширенный генетический алфавит

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, вместо четырех стандартных основ А, Т, G и C имеет шесть оснований: А, T, G, C, и две новые: P и Z (где Z означает 6-амино-5-нитро3 — ( l’-Pd-2′-деоксирибофуранозил) 2 (1Н) -пиридон, а P означает 2-аміно-8-(1-бета-D-2′-деоксирибофуранозил)імідазо[1,2-а]-1,3,5-триазин-4(8Н)). Леконт и др. Проверили устойчивость 60 основ-кандидатов (получив около 3600 пар оснований) для возможного включения в ДНК.

Новые полимеразы

Ни КСНК, ни неестественные основы не распознаются естественными полимеразы. Одной из основных проблем является нахождение или создание новых типов полимераз, которые будут в состоянии копировать эти новые конструкции. В одном случае было обнаружено, что модифицированный вариант ВИЧ-обратной транскриптазы способен к ПЦР-амплификации олигонуклеотидов, содержащий пару основ третьего типа. Пиньера и др. (2012) показали, что метод полимеразной эволюции и дизайна способствовал сохранению и восстановлению генетической информации (менее 100 пар оснований длиной) от шести альтернативных генетических полимеров, основанных на простых нуклеиновых кислотах, которые не встречаются в природе.

Разработка генетического кода

Одной из целей ксенобиологии является переписать универсальный генетический код. Наиболее перспективным подходом для изменения кода является переназначення кодонов, которые редко используются или не используются вообще. В идеальном случае генетический код увеличивается на один кодон, таким образом освобождаясь от своей предыдущей функции и переключаясь на кодирование неканонической аминокислоты (нкАК) («расширение кода»). Поскольку эти методы сложны в реализации, существует возможность использования более коротких путей («разработка кода»), например в ауксотрофних по специфической аминокислоты бактерий, которые в эксперименте получают изоструктурные аналоги вместо канонических аминокислот. В этой ситуации канонические аминокислотные остатки в нативных белках замещаются на нкАК. Возможно также введение нескольких различных нкАК в один и тот же белок. Наконец, набор из 20 канонических аминокислот может быть не только расширен, но также и уменьшен до 19. Специфичность кодона может быть изменена с помощью переназначення пары транспортная РНК (тРНК) / аминоацил тРНК-синтетазы. Клетки, содержащие такие аминоацил-тРНК синтетазы, таким образом, способны прочитать последовательности мРНК, нечитабельные для существующей системы генной экспрессии. Изменение кодона: пары тРНК синтетазы могут способствовать включению в белки неканонических аминокислот in vivo. В прошлом переназначення 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 проведены в штаммах Высшей порядке с сохранением жизнеспособности штамма. После успеха этой замены кодонов авторы продолжили работу и перепрограммировали 13 кодонов по всему геному, которые непосредственно касаются 42 основных генов.

Еще более радикальными изменениями в генетическом коде есть изменения триплетного кодона на квадриплетний и даже пентаплетний кодоны, которые были проведены Сисидо в бесклеточной системах, и Шульцем в бактериальных клетках. Наконец, неестественные пары оснований могут быть использованы для введения в белки новой аминокислоты.

Направлена ​​эволюция

Замена ДНК на КСНК может быть также выполнена другим путем, а именно путем изменения окружающей среды вместо генетических модулей. Этот подход успешно продемонстрировали Марльер и Мютцель: они создали штамм E. coli, ДНК которого состоит из стандартных A, C и G нуклеотидов, но также синтетический аналог тимина — 5-хлорурацил — в соответствующих местах ДНК последовательности. Рост этих клеток в дальнейшем зависит от 5-хлорурацилу, поступающего извне, 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, поскольку штамм является ауксотрофним для неестественно химического соединения, и содержит форму ДНК, которая не может быть расшифрована другими организмами.

Биобезопасность

Ксенобиологични системы предназначены для оказания ортогональности естественным биологическим системам. Гипотетический организм, содержащий КСНК, другие 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 ксенобиологични организми представляют собой генетический анклав, который не может обмениваться информацией с естественными клетками. Изменение генетического аппарата клеток приводит к семантическому сдерживания. По аналогии с обработкой информации в ИТ, эта концепция безопасности называется «генетический брандмауэр». Концепция «генетического брандмауэра» может преодолеть ряд ограничений предыдущих систем безопасности. Первые экспериментальные доказательства этой теоретической концепции были получены в 2013 году с созданием «геномной перекодирована организма» (ГТО). В этом организме все известные UAG стоп-кодоны в E.coli были заменены на UAA кодона, что позволило переназначить функцию трансляции кодона UAG. ГПО продемонстрировал повышенную устойчивость к бактериофага Т7, показывая таким образом, что альтернативные генетические коды действительно уменьшают генетическую совместимость. Этот ГТО, однако, так же очень похож на своего естественного предшественника и не может рассматриваться как «генетический брандмауэр». Возможность переназначення функций большого количества триплетов делает возможным разработку штаммов, которые объединяют КСНК, новые пары оснований, новые генетические коды и т.д., и которые не могут обмениваться никакой информацией с естественным биологическим окружением. В то время как «генетический брандмауэр» может реализовать семантические механизмы сдерживания в новых организмах, новые биохимические системы так же должны быть исследованы по отношению к новым токсинов и ксенобиотиков.

Управление и регуляторные вопросы

Ксенобиологии может быть сложным вопросом для нормативно-правовой базы, поскольку на данный момент законы и директивы регулируют вопрос о генетически модифицированных организмах, но непосредственно не упоминают химически или геномной модифицированные организмы. Принимая во внимание, что в реальности ксенобиологични организмы в ближайшие годы не ожидается, законодательство должно некоторое время для подготовки к будущим изменениям на уровне управления. Начиная с 2012 года, политические советники в США, четыре национальных комитета по биобезопасности в Европе, и Европейская организация молекулярной биологии заметили эту тему как будущую проблему управления.

info-farm.ru

Иная жизнь: ксенонуклеиновые кислоты и ксенозимы

Явный прогресс в области небиологических нуклеиновых кислот и им подобных полимеров. Пока что все эти полимеры — некоторые модификации биологических аналогов, и некоторые ксенонуклеиновые кислоты способны даже функционально замешать натуральные ДНК-РНК. По моему уразумению, все эти работы доказывают уникальность протеинов и нуклеиновых кислот в природе. Принципиально новые решения пока что не найдены.

Практические приложения этих работ, в перспективе и в идеале, могут оказаться весьма значимыми. Молекулярные системы из ксенополимеров могут быть интродуцированы в живые организмы. При том, что ксенополимеры не разлагаются в организме. И при этом могут использовать (по крайней мере, в принципе) ферменты и ресурсы

организма на себя, для обеспечения собственной репродукции. Широкие потенциальные возможности и немалый потенциальный риск.

Ксенозимы — это молекулы некотрых видов ксенонуклеиновых кослот (с конкретной структурой, последовательностью оснований), способные специфически катализировать некоторые реакции (биохимические). Вот это и удалось получить.

Впервые ученым удалось создать синтетические ферменты — жизненно важные вещества, необходимые для поддержания множества процессов в организме. Энзимы были получены из искусственного генетического материала, которого не существует в природе. Изобретение сулит настоящий прорыв в области разработки лекарств.

Искусственные ферменты, созданные специалистами Медицинского исследовательского совета (MRC), сделаны из молекул, которые не встречаются нигде в природе. Синтетические энзимы показали удивительную способность катализировать химические реакции в пробирке.

Исследование позволяет по-новому взглянуть на зарождение жизни и может стать отправной точкой для создания совершенно нового поколения лекарственных средств и методов диагностики.

Синтетические молекулы XNA способны хранить и передавать генетическую информацию, как это делает ДНК. Используя лабораторную ксенонуклеиновую кислоту в качестве строительных блоков, исследовательская команда создала ферменты XNAzymes, способствующие ускорению простых реакций, таких как резка или спайка небольших кусочков РНК по примеру своих природных аналогов.

Автор исследования, доктор Алекс Тейлор, говорит, что создание сначала синтетической ДНК, а затем ферментов из не существующего в природе материала повышает вероятность того, что внеземная жизнь, если она, конечно, реальна, может быть организована совершенно чуждым нам набором молекул. По его словам, это автоматически увеличивает потенциальное количество планет, на которых может существовать жизнь.

ДНК и РНК являются строительными блоками жизни, которые хранят всю нашу генетическую информацию и передают ее следующим поколениям. Вся жизнь на Земле зависит от химических реакций, и многие из них протекают слишком медленно без катализаторов. Каждая человеческая клетка содержит тысячи различных ферментов, большая часть которых представлены белками.

Однако некоторые из жизненно важных реакций требуют участия РНК. Считается, что жизнь возникла в ходе эволюции самокопирующегося фермента РНК.

Новое исследование показало, что ДНК и РНК не единственные молекулы, способные хранить генетическую информацию, и вместе с белками – не единственные молекулы, которые способны образовывать ферменты. Существуют альтернативные решения, не существующие в природе, но обеспечивающие поддержку каталитических процессов, необходимых для поддержания жизни. Ученые не исключают, что РНК и ДНК могли быть лишь случайностью доисторической химии.

В 2012 году группа исследователей продемонстрировала, что шесть альтернативных молекул, так называемых XNAs, могут хранить генетическую информацию и эволюционировать путем естественного отбора. На базе этих ксенонуклеиновых кислот были созданы искусственные катализаторы. Новые ферменты по своей функциональности аналогичны природным, но отличаются повышенной стабильностью. Последнее качество дает дополнительное преимущество в поиске новых способов лечения различных болезней, в том числе онкологических заболеваний и вирусных инфекций, которые развиваются благодаря естественным процессам в организме.

Повышенная химическая выносливость XNAs обеспечивает искусственные молекулы защитой от разрушающих организм естественных ферментов. Синтетические энзимы привлекают ученых тем, что могут оказать большую помощь в длительном лечении заболеваний, связанных с РНК.

Вот эбстракт той статьи в Нэйчур:

NATURE | LETTER

Catalysts from synthetic genetic polymers

Alexander I. Taylor, Vitor B. Pinheiro, Matthew J. Smola, Alexey S. Morgunov, Sew Peak-Chew, Christopher Cozens, Kevin M. Weeks, Piet Herdewijn & Philipp Holliger

Nature (2014) doi:10.1038/nature13982

Received 10 July 2014 Accepted 20 October 2014 Published online 01 December 2014

The emergence of catalysis in early genetic polymers such as RNA is considered a key transition in the origin of life1, pre-dating the appearance of protein enzymes. DNA also demonstrates the capacity to fold into three-dimensional structures and form catalysts in vitro2. However, to what degree these natural biopolymers comprise functionally privileged chemical scaffolds3 for folding or the evolution of catalysis is not known. The ability of synthetic genetic polymers (XNAs) with alternative backbone chemistries not found in nature to fold into defined structures and bind ligands4 raises the possibility that these too might be capable of forming catalysts (XNAzymes). Here we report the discovery of such XNAzymes, elaborated in four different chemistries (arabino nucleic acids, ANA5; 2′-fluoroarabino nucleic acids, FANA6; hexitol nucleic acids, HNA; and cyclohexene nucleic acids, CeNA7) directly from random XNA oligomer pools, exhibiting in trans RNA endonuclease and ligase activities. We also describe an XNA–XNA ligase metalloenzyme in the FANA framework, establishing catalysis in an entirely synthetic system and enabling the synthesis of FANA oligomers and an active RNA endonuclease FANAzyme from its constituent parts. These results extend catalysis beyond biopolymers and establish technologies for the discovery of catalysts in a wide range of polymer scaffolds not found in nature8. Evolution of catalysis independent of any natural polymer has implications for the definition of chemical boundary conditions for the emergence of life on Earth and elsewhere in the Universe.

А навела меня на эти изыскания свежая статья с сайта singularityhub:

http://singularityhub.com/2014/12/10/artificial-enzymes-from-artificial-dna-challenge-life-as-we-know-it/

А если уж в заключение говорить о h+, то, скажем, неплохо было бы создать нейроны на ксенополимерах с такой организацией, чтобы они умели замещать «наши» исконные нервные клетки и или не старели или контролируемо размножались с передачей накопленной информации и с сохранением деталей коннектома. В конце концов, по большому счету, клетка это микро-дивайс. Только очень сложный.

ru-transhuman.livejournal.com