Жаңа өмір формаларының ғылымы

Кіріспе

Синтетикалық тіршілік формаларының ғылымы

Ксенобиология (XB) – синтетикалық биологияның бір саласы, биологиялық құрылғылар мен жүйелерді жасау және өзгертуді зерттейді. "Ксенобиология" атауы грек тіліндегі xenos сөзінен келген, ол "бейтаныс, жат" деген мағынаны білдіреді. Ксенобиология – ғылымға әлі таныс емес және табиғатта кездеспейтін биология түрі. Іс жүзінде, ол ДНҚ-РНҚ 20 аминқышқылынан өзгеше жаңа биологиялық жүйелер мен биохимияны сипаттайды (молекулалық биологияның негізгі қағидаларын қараңыз). Мысалы, ДНҚ немесе РНҚ орнына XB ақпаратты жеткізуші ретінде нуклеин қышқылының аналогтарын, яғни ксенонуклеин қышқылын (XNA) зерттейді. Сондай-ақ, ол кеңейтілген генетикалық кодқа және белокты құрамайтын аминқышқылдарды немесе "ксено аминқышқылдарды" белоктерге қосуға бағытталған.

Ксено, экзо және астробиология арасындағы айырмашылық

"Астро" сөзі "жұлдызды" білдіреді, ал "экзо" – "сыртқы" деген мағынаны береді. Экзобиология да, астробиология да ғаламдағы табиғи жолмен пайда болған тіршілікті іздеумен айналысады, көбінесе жұлдыздардың айналасындағы, тіршілікке жарамды аймақтағы басқа планеталарда. (Оларды кейде ксенобиология деп те атайды. Бұл эволюциялық "көшпестілік" пе, әлде басқа химиялық түрлерді қалыптастырмаған шектеулер болды ма? Балама биохимиялық "алғашқы сорпаларды" сынау арқылы біздің білетін тіршіліктің пайда болу қағидаларын жақсырақ түсінуге болады деп күтілуде. Ксенобиология – биополимерлік инженерия және патогендерге төзімділік арқылы жаңа қабілеттері бар өнеркәсіптік өндіріс жүйелерін жасау әдісі. Генетикалық кодтың барлық организмдердегі 20 канондық аминқышқылы ақуыз биосинтезі үшін қолданылады. Сирек жағдайларда, селеноцистеин немесе пирролизин сияқты арнайы аминқышқылы кейбір организмдердің ақуыздарына трансляциялық аппарат арқылы қосылуы мүмкін. Бұл 20+2 аминқышқылы 22 протеиногендік аминқышқылы деп аталады. Биохимияға белгілі 700-ден астам аминқышқылының арасынан қосымша аминқышқылы қолдану арқылы ақуыздардың қабілеттерін өзгертуге болады, бұл каталитикалық немесе материалдық функцияларды тиімдірек етеді. Мысалы, ЕО қаржыландырған Metacode жобасы бактериялық жасушаларға метатезді (қазірге дейін тірі организмдерде белгілі емес, пайдалы каталитикалық функция) енгізуді мақсат етеді. XB өндіріс процестерін жақсартуға мүмкіндік беретін тағы бір себеп – өсіру кезінде вирус немесе бактериофагпен ластану қаупін азайту мүмкіндігі, себебі XB жасушалары енді қолайлы жазылу ортасын қамтамасыз етпейді, оларды оқшаулап (семантикалық оқшаулау деп аталатын тәсіл) жасайды. Ксенобиология "генетикалық өрт қабырғасын" құру мүмкіндігін ұсынады, бұл жаңа биооқшаулау жүйесі, ол қазіргі биооқшаулау тәсілдерін күшейтуге және әртараптандыруға көмектеседі. Сонымен қатар, балама биохимия жаңа синтетикалық ауксотрофияларға мүмкіндік береді. Идея – табиғи генетикалық жүйелермен үйлесімсіз болатын ортогональды биологиялық жүйе құру.

"Astro" means "star" and "exo" means "outside". Both exo and astrobiology deal with the search for naturally evolved life in the Universe, mostly on other planets in the circumstellar habitable zone. (These are also occasionally referred to as xenobiology. Was it an evolutionary "accident" or were there constraints that ruled out other types of chemistries? By testing alternative biochemical "primordial soups", it is expected to better understand the principles that gave rise to life as we know it. Xenobiology is an approach to develop industrial production systems with novel capabilities by means of biopolymer engineering and pathogen resistance. The genetic code encodes in all organisms 20 canonical amino acids that are used for protein biosynthesis. In rare cases, special amino acids such as selenocysteine or pyrrolysine can be incorporated by the translational apparatus in to proteins of some organisms. Together, these 20+2 Amino Acids are known as the 22 Proteinogenic Amino Acids. By using additional amino acids from among the over 700 known to biochemistry, the capabilities of proteins may be altered to give rise to more efficient catalytical or material functions. The EC funded project Metacode, for example, aims to incorporate metathesis (a useful catalytical function so far not known in living organisms) into bacterial cells. Another reason why XB could improve production processes lies in the possibility to reduce the risk of virus or bacteriophage contamination in cultivations since XB cells would no longer provide suitable host cells, rendering them more resistant (an approach called semantic containment)
Xenobiology offers the option to design a "genetic firewall", a novel biocontainment system, which may help to strengthen and diversify current bio containment approaches. Additionally alternative biochemistry also allows for new synthetic auxotrophies. The idea is to create an orthogonal biological system that would be incompatible with natural genetic systems.

Ғылыми көзқарас

Ксенобиологиядағы мақсат – бір немесе бірнеше маңызды деңгейде табиғи нұсқаларынан өзгешеленетін биологиялық жүйелерді жобалау және құру. Идеалды жағдайда, мұндай жаңа организмдер барлық мүмкін биохимиялық аспектілерде ерекше болып, мүлдем басқа генетикалық кодты көрсетуі керек. Ұзақ мерзімді мақсат – генетикалық ақпаратын ДНК-да емес, ксенонуклеин қышқылдарынан (XNA) тұратын, әртүрлі негіз жұптарын пайдаланатын, канондық емес аминқышқылдары мен өзгертілген генетикалық кодқа ие баламалы ақпараттық полимерде сақтайтын жасушаны құру. Қазірге дейін тек бір немесе екі мұндай ерекшелікке ие жасушалар ғана жасалған.

Ксенонуклеин қышқылдары (XNA)

Алғашында ДНК-ның баламалы түрлерін зерттеуді жердегі тіршілік қалай пайда болды және неге РНК мен ДНҚ басқа нуклеин қышқылының ықтимал құрылымдарына қарағанда (химиялық) эволюция арқылы таңдалды деген сұрақ тудырды. РНК мен ДНҚ-ны өмірдің негізі ретінде таңдаудың екі гипотезасы бар: олар Жердегі өмірдің жағдайында жақсырақ сақталады немесе олар тіршілікке дейінгі химияда кездейсоқ пайда болып, қазірге дейін қолданылып келеді. Нуклеин қышқылдарының химиялық құрылымын әртараптандыруға бағытталған жүйелі эксперименталды зерттеулер толыққанды жаңа ақпараттық биополимерлерге әкелді. Осы уақытқа дейін жаңа химиялық тірекшелері немесе ДНҚ-ның шығатын тобы бар бірқатар ХНА синтезделді, мысалы: гексозды нуклеин қышқылы (HNA); треозды нуклеин қышқылы (TNA), гликоль нуклеин қышқылы (GNA) және циклогексенил нуклеин қышқылы (CeNA). 3 HNA кодонын қамтитын плазмидке XNA қосылуы 2003 жылы жүзеге асырылды. Бұл XNA in vivo (E. coli) ДНК синтезі үшін матрица ретінде қолданылады. Бұл зерттеуде екілік (G/T) генетикалық кассета және екі ДНК емес негіз (Hx/U) пайдаланылды, ал GNA қазіргі уақытта табиғи биологиялық жүйе үшін ДНК синтезіне матрица ретінде қолданылуы қиын сияқты. Табиғи ДНК тірекшесін пайдаланатын кеңейтілген негіздер де табиғи ДНК-ға аударылуы мүмкін, бірақ бұл шектеулі көлемде болады. ДНҚ тізбектеріне қосымша ретінде ХНА белсенділігі генетикалық катализатор ретінде де тексерілді. Ақуыздар жасушалық ферменттік белсенділіктің ең көп таралған компоненттері болғанымен, нуклеин қышқылдары да реакцияларды катализдейтін жасушада қолданылады. 2015 жылғы зерттеуде XNA-ның бірнеше түрі, ең бастысы FANA (2' фтор-арабино нуклеин қышқылы), сондай-ақ HNA, CeNA және ANA (арабино нуклеин қышқылы) транскрипциялық РНК өңдеу кезінде РНК-ны кесу үшін қолданылуы мүмкін, осылайша XNA ферменттері деп аталды. FANA XNA ферменттері ДНК, РНК және XNA субстраттарын біріктіру қабілетін де көрсетті. Leconte және авторлар тобы жүйелі зерттеуде ДНК-ға енгізуге болатын 60 кандидат негіздің (потенциалды 3600 негіз жұбы) тірі қалу мүмкіндігін тексерді. 2002 жылы Hirao және авторлар 2-амино-8-(2-тиенил)пурин (s) мен пиридин-2-он (y) арасындағы табиғи емес негіз жұбын жасады, ол in vitro транскрипция мен аудармада стандартты емес амин қышқылын қамтитын ақуыз синтезі үшін генетикалық кодқа қатысты жұмыс істейді. 2006 жылы олар репликация мен транскрипция үшін үшінші негіз жұбы ретінде 7-(2-тиенил)имидазо[4,5-b]пиридин (Ds) және пиррол-2-карбальдегид (Pa) құрады, содан кейін Ds және 4-[3-(6-аминогексанамидо)-1-пропинил]-2-нитропиррол (Px) ПТР күшейтуде жоғары дәлдік жұбы ретінде табылды. 2013 жылы олар Ds-Px жұбын in vitro селекция (SELEX) арқылы ДНК аптамерін жасау үшін қолданды және генетикалық әліпбиді кеңейту ДНК аптамерінің мақсатты белоктарға байланысуын едәуір арттыратынын көрсетті. 2014 жылдың мамыр айында зерттеушілер бактериялық ДНК-ға табиғи түрде кездесетін төрт нуклеотидпен қатар екі жаңа жасанды нуклеотидті сәтті енгізгендерін және жасанды нуклеотидтерді өсіру ортасына қосу арқылы бактерияларды 24 рет көбейтуге қол жеткізгендерін хабарлады; олар жасанды нуклеотидтерді пайдалана алатын мРНК немесе ақуыздар жасаған жоқ.

Originally this research on alternative forms of DNA was driven by the question of how life evolved on earth and why RNA and DNA were selected by (chemical) evolution over other possible nucleic acid structures. Two hypotheses for the selection of RNA and DNA as life's backbone are either they are favored under life on Earth's conditions, or they were coincidentally present in pre life chemistry and continue to be used now. Systematic experimental studies aiming at the diversification of the chemical structure of nucleic acids have resulted in completely novel informational biopolymers. So far a number of XNAs with new chemical backbones or leaving group of the DNA have been synthesized, e. g.: hexose nucleic acid (HNA); threose nucleic acid (TNA), glycol nucleic acid (GNA) cyclohexenyl nucleic acid (CeNA). The incorporation of XNA in a plasmid, involving 3 HNA codons, has been accomplished already in 2003. This XNA is used in vivo (E coli) as template for DNA synthesis. This study, using a binary (G/T) genetic cassette and two non DNA bases (Hx/U), was extended to CeNA, while GNA seems to be too alien at this moment for the natural biological system to be used as template for DNA synthesis. Extended bases using a natural DNA backbone could, likewise, be transliterated into natural DNA, although to a more limited extent. Aside being used as extensions to template DNA strands, XNA activity has been tested for use as genetic catalysts. Although proteins are the most common components of cellular enzymatic activity, nucleic acids are also used in the cell to catalyze reactions. A 2015 study found several different kinds of XNA, most notably FANA (2' fluoroarabino nucleic acids), as well as HNA, CeNA and ANA (arabino nucleic acids) could be used to cleave RNA during post transcriptional RNA processing acting as XNA enzymes, hence the name XNAzymes. FANA XNAzymes also showed the ability to ligate DNA, RNA and XNA substrates. In a systematic study, Leconte et al. tested the viability of 60 candidate bases (yielding potentially 3600 base pairs) for possible incorporation in the DNA. In 2002, Hirao et al. developed an unnatural base pair between 2 amino 8 (2 thienyl)purine (s) and pyridine 2 one (y) that functions in vitro in transcription and translation toward a genetic code for protein synthesis containing a non standard amino acid. In 2006, they created 7 (2 thienyl)imidazo[4,5 b]pyridine (Ds) and pyrrole 2 carbaldehyde (Pa) as a third base pair for replication and transcription, and afterward, Ds and 4 [3 (6 aminohexanamido) 1 propynyl] 2 nitropyrrole (Px) was discovered as a high fidelity pair in PCR amplification. In 2013, they applied the Ds Px pair to DNA aptamer generation by in vitro selection (SELEX) and demonstrated the genetic alphabet expansion significantly augment DNA aptamer affinities to target proteins. In May 2014, researchers announced that they had successfully introduced two new artificial nucleotides into bacterial DNA, alongside the four naturally occurring nucleotides, and by including individual artificial nucleotides in the culture media, were able to passage the bacteria 24 times; they did not create mRNA or proteins able to use the artificial nucleotides.

Жаңа полимеразалар

Табиғи полимеразалар XNA және табиғи емес негіздерді тани алмайды. Басты міндеттердің бірі – осы жаңа конструкцияларды көбейтуге қабілетті полимеразалардың жаңа түрлерін табу немесе жасау болып табылады. Бір жағдайда, ВИЧ реверс транскриптазасының өзгертілген түрі үшінші типтегі негіз жұбын қамтитын олигонуклеотидті ПТР (Пайдалы тізбекті көбейту) арқылы күшейтуге қабілетті екені анықталды. Pinheiro және авторлар (2012) полимераза эволюциясы және дизайны әдісінің табиғатта кездеспейтін қарапайым нуклеин қышқылдары архитектурасына негізделген алты баламалы генетикалық полимерден (100 базадан аз ұзындығы) генетикалық ақпаратты сақтау және қалпына келтіруге сәтті қол жеткізгенін көрсетті, бұл ксено нуклеин қышқылдары болып табылады.

Генетикалық код инженериясы

Ксенобиологияның мақсаттарының бірі – генетикалық кодты қайта жазу. Кодты өзгертудің ең үміткер тәсілі – сирек қолданылатын немесе тіпті қолданылмаған кодондарды қайта тағайындау. Идеалды жағдайда генетикалық код бір кодонға кеңейтіледі, осылайша ол бұрынғы функциясынан босатылып, канондық емес аминқышқылына (ncAA) толыққанды қайта тағайындалады («кодтың кеңеюі»). Бұл әдістерді іске асыру қиындық тудыратындықтан, кейбір жеңілдетілген жолдар қолданылуы мүмкін («кодтық инженерия»), мысалы, белгілі бір аминқышқылына қатысты ауксотрофты бактерияларда эксперименттің белгілі бір кезеңінде канондық аминқышқылы орнына изоструктуралық аналогтармен қоректендіру. Мұндай жағдайда, табиғи ақуыздағы канондық аминқышқылы қалдықтары ncAA-мен алмастырылады. Тіпті бір ақуызға бірнеше түрлі ncAA енгізу де мүмкін. Соңында, 20 канондық аминқышқылының тізімін кеңейту ғана емес, 19-ға дейін қысқарту да қолжеткізіледі. Трансферлік РНК (tРНК) / аминоацилді tРНК синтетаза жұптарын қайта тағайындау арқылы кодонның ерекшелігін өзгертуге болады. Осындай аминоацил [tРНК синтетазалары] бар жасушалар, қазіргі гендік экспрессия механизмі үшін түсініксіз [мРНК] тізбектерін оқи алады. Кодонды өзгерту: tРНК синтетаза жұптарының өзгеруі нәтижесінде канондық емес аминқышқылының ақуыздарға in vivo енуі мүмкін. Бұрын кодондарды қайта тағайындау көбінесе шектеулі көлемде жүргізілді. Алайда, 2013 жылы Гарвард университетіндегі Фаррен Исаакс және Джордж Черч E. coli геномындағы барлық 321 TAG тоқтату кодонын TAA кодондарымен алмастырғанын хабарлады, осылайша жаппай алмастырулардың жоғары деңгейдегі штамдарға зиянсыз біріктірілуі мүмкін екенін көрсетті. Бұл геномдық масштабтағы кодон алмастырудың табысынан кейін, авторлар 13 кодонды геном бойынша қайта бағдарламалауды жалғастырып, 42 маңызды генге тікелей әсер етті. Генетикалық кодтағы одан да радикалды өзгеріс – үштік кодонды төрттік және тіпті бестік кодонға өзгерту, бұл процесті Сисидо клеткасыз жүйелерде, ал Шульц бактерияларда бастады. Соңында, табиғи емес негіз жұптарын ақуыздарға жаңа аминқышқылын енгізу үшін пайдалануға болады.

One of the goals of xenobiology is to rewrite the genetic code. The most promising approach to change the code is the reassignment of seldom used or even unused codons. In an ideal scenario, the genetic code is expanded by one codon, thus having been liberated from its old function and fully reassigned to a non canonical amino acid (ncAA) ("code expansion"). As these methods are laborious to implement, and some short cuts can be applied ("code engineering"), for example in bacteria that are auxotrophic for specific amino acids and at some point in the experiment are fed isostructural analogues instead of the canonical amino acids for which they are auxotrophic. In that situation, the canonical amino acid residues in native proteins are substituted with the ncAAs. Even the insertion of multiple different ncAAs into the same protein is possible. Finally, the repertoire of 20 canonical amino acids can not only be expanded, but also reduced to 19. By reassigning transfer RNA (tRNA)/aminoacyl tRNA synthetase pairs the codon specificity can be changed. Cells endowed with such aminoacyl [tRNA synthetases] are thus able to read [mRNA] sequences that make no sense to the existing gene expression machinery. Altering the codon: tRNA synthetases pairs may lead to the in vivo incorporation of the non canonical amino acids into proteins. In the past reassigning codons was mainly done on a limited scale. In 2013, however, Farren Isaacs and George Church at Harvard University reported the replacement of all 321 TAG stop codons present in the genome of E. coli with synonymous TAA codons, thereby demonstrating that massive substitutions can be combined into higher order strains without lethal effects. Following the success of this genome wide codon replacement, the authors continued and achieved the reprogramming of 13 codons throughout the genome, directly affecting 42 essential genes. An even more radical change in the genetic code is the change of a triplet codon to a quadruplet and even quintuplet codon pioneered by Sisido in cell free systems and by Schultz in bacteria. Finally, non natural base pairs can be used to introduce novel amino acid in proteins.

Бағытталған эволюция

ДНК-ны XNA-мен алмастыру мақсатына генетикалық модульдердің орнына қоршаған ортаны өзгерту арқылы да қол жеткізілуі мүмкін. Марлиер мен Мютцель бұл тәсілді Э. coli штаммын жасау арқылы сәтті көрсетті, оның ДНК-сы стандартты А, С және G нуклеотидтерінен тұрады, бірақ тізбектегі тиісті орындарда тимин (Т) орнына синтетикалық тимин аналогы – 5 хлороурацил бар. Бұл жасушалар өсу үшін сырттан берілетін 5 хлороурацилге мұқтаж, бірақ әйтпесе қалыпты Э. coli сияқты көрінеді және қызмет етеді. Дегенмен, бұл жасушалар қазіргі таңда Ксено базасына толық ауксотрофты емес, себебі олар ортаға тимин қосылғанда да өсе береді.

Биологиялық қауіпсіздік

Ксенобиологиялық жүйелер табиғи биологиялық жүйелерге ортогоналдылықты қамтамасыз ету үшін жасалған. ХНА, әртүрлі негіз жұптары мен полимеразаларды пайдаланатын және өзгертілген генетикалық коды бар (әлі де гипотетикалық) организм, генетикалық деңгейде табиғи тіршілік нысандарымен өзара әрекеттесуге шамасы келмейді. Осылайша, бұл ксенобиологиялық организмдер табиғи жасушалармен ақпарат алмаса алмайтын генетикалық анклавты құрайды. Жасушаның генетикалық машинасын өзгерту семантикалық оқшаулауға алып келеді. Ақпараттық технологиядағы ақпаратты өңдеуге ұқсас, бұл қауіпсіздік тұжырымдамасы «генетикалық өрт қабырғасы» деп аталады. Генетикалық өрт қабырғасы тұжырымы бұрынғы қауіпсіздік жүйелерінің бірқатар шектеулерін жеңіп басатын сияқты. Генетикалық өрт қабырғасының теориялық тұжырымына алғашқы тәжірибелік дәлел 2013 жылы геномдық қайта кодталған организмнің (GRO) құрылысы арқылы қол жеткізілді. Бұл GRO-да E. coli-дегі барлық белгілі UAG тоқтату кодондары UAA кодондарымен алмастырылды, бұл 1-тоқтату факторын жоюға және UAG аударма функциясын қайта тағайындауға мүмкіндік берді. GRO T7 бактериофагына қарсы күшейтілген резистенттілікті көрсетті, осылайша альтернативті генетикалық кодтар генетикалық үйлесімділікті төмендетуін дәлелдеді. Алайда, бұл GRO әлі де өзінің табиғи «анасына» өте ұқсас және оны генетикалық өрт қабырғасына ие деп санауға болмайды. Үштіктердің көп санының функциясын қайта тағайындау мүмкіндігі XNA, жаңа негіз жұптары, жаңа генетикалық кодтар және т.б. біріктіретін штаммдардың пайда болуына жол ашады, олар табиғи биологиялық әлеммен ешқандай ақпарат алмаса алмайды. Жаңа организмдерде семантикалық оқшаулау механизміне әкелетін өзгерістерге қарамастан, кез келген жаңа биохимиялық жүйе әлі де токсикологиялық тексеруден өтуі керек. XNA, жаңа ақуыздар және т.б. жаңа токсиндер болуы мүмкін немесе аллергиялық әлеуетін бағалау қажет.

Басқару және реттеу мәселелері

Ксенобиология қазіргі нормативтік-құқықтық базаға күш түсіруі мүмкін, себебі ағымдағы заңдар мен директивалар генетикалық өзгертілген организмдермен ғана айналысады және химиялық немесе геномдық өзгертілген организмдерді тікелей атап көрсетпейді. Келер жылдары нақты ксенобиологиялық организмдердің пайда болуы күтілмейді, сондықтан саясатты қалыптастырушылар алдағы басқаруға қатысты мәселеге дайындалу үшін жеткілікті уақытқа ие. 2012 жылдан бері келесі топтар осы мәселені дамып келе жатқан басқару нысаны ретінде қарастырып келеді: АҚШ-тағы саясатты жоспарлау кеңесшілері, Еуропадағы төрт Ұлттық биобұрыштық кеңес, Еуропалық молекулалық биология ұйымы және Еуропалық комиссияның жаңадан пайда болған және жаңадан анықталған денсаулыққа қауіптер жөніндегі ғылыми комитеті (SCENIHR) үш пікірде (анықтама, тәуекелді бағалау әдістемелері және қауіпсіздік аспектілері, синтетикалық биология және синтетикалық биология саласындағы ғылыми басымдықтарға қатысты қоршаған орта мен биологиялық әртүрлілікке қауіптер).