Введение
Ксенобиология (XB) – это раздел синтетической биологии, изучающий синтез и манипулирование биологическими устройствами и системами. Название "ксенобиология" происходит от греческого слова xenos, означающего "чужой, инородный". Ксенобиология – это форма биологии, которая пока не известна науке и не встречается в природе. На практике она описывает новые биологические системы и биохимию, отличающиеся от канонической системы ДНК-РНК, состоящей из 20 аминокислот (см. центральную догму молекулярной биологии). Например, вместо ДНК или РНК, XB исследует аналоги нуклеиновых кислот, называемые ксенонуклеиновыми кислотами (XNA), в качестве носителей информации. Также она фокусируется на расширенном генетическом коде и включении непротеиногенных аминокислот, или "ксеноаминокислот", в белки.
Xenobiology (XB) is a subfield of synthetic biology, the study of synthesizing and manipulating biological devices and systems. The name "xenobiology" derives from the Greek word xenos, which means "stranger, alien". Xenobiology is a form of biology that is not (yet) familiar to science and is not found in nature. In practice, it describes novel biological systems and biochemistries that differ from the canonical DNA–RNA 20 amino acid system (see central dogma of molecular biology). For example, instead of DNA or RNA, XB explores nucleic acid analogues, termed xeno nucleic acid (XNA) as information carriers. It also focuses on an expanded genetic code and the incorporation of non proteinogenic amino acids, or “xeno amino acids” into proteins.
Разница между ксено-, экзо- и астробиологией
"Астро" означает "звезда", а "экзо" – "вне". И экзобиология, и астробиология занимаются поиском жизни, возникшей естественным путем во Вселенной, преимущественно на других планетах в обитаемой зоне вокруг звезд. (Это также иногда называют ксенобиологией. Было ли это эволюционным "случаем" или существовали ограничения, исключающие другие типы химических соединений? Ожидается, что тестирование альтернативных биохимических "первичных бульонов" позволит лучше понять принципы, лежащие в основе возникновения жизни в том виде, в котором мы ее знаем. Ксенобиология – это подход к разработке промышленных производственных систем с новыми возможностями посредством биополимерной инженерии и устойчивости к патогенам. Генетический код кодирует во всех организмах 20 канонических аминокислот, используемых для биосинтеза белков. В редких случаях специальные аминокислоты, такие как селеноцистеин или пирролизин, могут включаться в белки некоторых организмов с помощью трансляционного аппарата. Вместе эти 20+2 аминокислоты известны как 22 протеиногенных аминокислоты. Используя дополнительные аминокислоты из более чем 700, известных биохимии, можно изменить свойства белков, чтобы получить более эффективные каталитические или материальные функции. Например, финансируемый ЕС проект Metacode направлен на включение метатезиса (полезной каталитической функции, пока не обнаруженной в живых организмах) в бактериальные клетки. Еще одна причина, по которой ксенобиология может улучшить производственные процессы, заключается в возможности снижения риска заражения вирусами или бактериофагами в культивациях, поскольку ксенобиологические клетки больше не будут служить подходящими клетками-хозяевами, что сделает их более устойчивыми (подход, называемый семантическим сдерживанием). Ксенобиология предлагает возможность создания "генетического брандмауэра" – новой системы биологической защиты, которая может усилить и разнообразить существующие подходы к биоконтейменту. Кроме того, альтернативная биохимия позволяет создавать новые синтетические ауксотрофии. Идея заключается в создании ортогональной биологической системы, несовместимой с естественными генетическими системами.
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.
Научный подход
В ксенобиологии целью является разработка и создание биологических систем, отличающихся от естественных аналогов по одному или нескольким фундаментальным признакам. В идеале, эти новые для природы организмы должны отличаться по всем возможным биохимическим аспектам, демонстрируя существенно отличный генетический код. Долгосрочная цель – создание клетки, которая хранила бы свою генетическую информацию не в ДНК, а в альтернативном информационном полимере, состоящем из ксенонуклеиновых кислот (XNA), с использованием различных пар оснований, неканонических аминокислот и измененного генетического кода. На данный момент были созданы клетки, включающие лишь одну или две из этих характеристик.
Ксенонуклеиновые кислоты (XNA)
Изначально это исследование альтернативных форм ДНК было вызвано вопросом о том, как возникла жизнь на Земле и почему РНК и ДНК были отобраны (химической) эволюцией по сравнению с другими возможными структурами нуклеиновых кислот. Существует две гипотезы относительно отбора РНК и ДНК в качестве основы жизни: либо они благоприятны для условий жизни на Земле, либо они случайно присутствовали в пребиотической химии и продолжают использоваться до сих пор. Систематические экспериментальные исследования, направленные на разнообразие химической структуры нуклеиновых кислот, привели к созданию совершенно новых информационных биополимеров. На сегодняшний день синтезировано несколько XNA с новыми химическими каркасами или уходящими группами ДНК, например: гексозная нуклеиновая кислота (HNA); треозная нуклеиновая кислота (TNA), гликольная нуклеиновая кислота (GNA), циклогексенильная нуклеиновая кислота (CeNA). В 2003 году было осуществлено включение XNA в плазмиду, содержащую 3 кодона HNA. Этот XNA используется in vivo (E. coli) в качестве матрицы для синтеза ДНК. Данное исследование, использующее бинарную (G/T) генетическую кассету и две не-ДНК основы (Hx/U), было расширено на CeNA, в то время как GNA представляется слишком чужеродной для естественной биологической системы, чтобы использоваться в качестве матрицы для синтеза ДНК. Расширенные основания, использующие природный каркас ДНК, также могут быть транслитерированы в природную ДНК, хотя и в меньшей степени. Помимо использования в качестве расширения ДНК-шаблонов, активность XNA была протестирована в качестве генетических катализаторов. Хотя белки являются наиболее распространенными компонентами клеточной ферментативной активности, нуклеиновые кислоты также используются клеткой для катализа реакций. Исследование 2015 года показало, что различные виды XNA, в частности FANA (2'-фторарабинонуклеиновые кислоты), а также HNA, CeNA и ANA (арабинонуклеиновые кислоты), могут быть использованы для расщепления РНК во время посттранскрипционной обработки РНК, выступая в роли XNA-ферментов, отсюда и название XNAzymes. FANA XNAzymes также продемонстрировали способность лигировать ДНК, РНК и XNA-субстраты. В систематическом исследовании Leconte и др. была проверена жизнеспособность 60 кандидатных оснований (что потенциально дает 3600 пар оснований) для возможного включения в ДНК. В 2002 году Hirao и др. разработали неестественную пару оснований между 2-амино-8-(2-тиенил)пурином (s) и пиридин-2-оном (y), которая функционирует in vitro в процессах транскрипции и трансляции, направленных на генетический код для синтеза белка, содержащего нестандартную аминокислоту. В 2006 году они создали 7-(2-тиенил)имидазо[4,5-b]пиридин (Ds) и пиррол-2-карбальдегид (Pa) в качестве третьей пары оснований для репликации и транскрипции, а затем Ds и 4-[3-(6-аминогексанамидо)-1-пропинил]-2-нитропиррол (Px) были обнаружены как высокоточная пара при ПЦР-амплификации. В 2013 году они применили пару Ds-Px для генерации ДНК-аптамеров методом in vitro селекции (SELEX) и показали, что расширение генетического алфавита значительно увеличивает аффинность ДНК-аптамеров к целевым белкам. В мае 2014 года исследователи объявили об успешном введении двух новых искусственных нуклеотидов в бактериальную ДНК, наряду с четырьмя природными нуклеотидами, и, включая отдельные искусственные нуклеотиды в культуральную среду, смогли провести 24 последовательных пассажа бактерий; при этом не было создано мРНК или белков, способных использовать искусственные нуклеотиды.
Новые полимеразы
Ни XNA, ни неестественные основания не распознаются природными полимеразами. Одной из главных задач является поиск или создание новых типов полимераз, способных реплицировать эти новые для природы структуры. В одном случае модифицированный вариант реверсной транскриптазы ВИЧ оказался способен проводить ПЦР-амплификацию олигонуклеотида, содержащего третью пару оснований. Пинейро и др. (2012) показали, что метод эволюции и конструирования полимераз успешно позволил хранить и восстанавливать генетическую информацию (длиной менее 100 пар оснований) из шести альтернативных генетических полимеров, основанных на простых нуклеиновых кислотных архитектурах, не встречающихся в природе – ксенонуклеиновых кислотах.
Инженерная генетика
Одна из целей ксенобиологии — переписать генетический код. Наиболее перспективным подходом к изменению кода является перераспределение редко используемых или даже неиспользуемых кодонов. В идеальном сценарии генетический код расширяется на один кодон, освобождаясь от своей прежней функции и полностью переназначаясь на неканоническую аминокислоту (ncAA) («расширение кода»). Поскольку эти методы трудоемки в реализации, можно применять упрощенные подходы («инженерия кода»), например, в бактериях, ауксотрофных по отношению к определенным аминокислотам, которым в ходе эксперимента вместо канонических аминокислот, необходимых для их роста, добавляют изоструктурные аналоги. В этом случае канонические аминокислотные остатки в природных белках замещаются нcAА. Возможно даже введение нескольких различных нcAА в один и тот же белок. В конечном итоге, репертуар из 20 канонических аминокислот можно не только расширить, но и сократить до 19. Перераспределением пар тРНК (трансферной РНК)/аминоацил-тРНК-синтетаз можно изменить кодонную специфичность. Клетки, обладающие такими аминоацил-[тРНК-синтетазами], способны считывать последовательности [мРНК], которые не распознаются существующим механизмом экспрессии генов. Изменение пар кодон:тРНК-синтетаза может привести к включению неканонических аминокислот в белки in vivo. Ранее перераспределение кодонов осуществлялось в основном в ограниченном масштабе. Однако в 2013 году Фаррен Айзекс и Джордж Черч из Гарвардского университета сообщили о замене всех 321 кодона остановки TAG, присутствующих в геноме E. coli, на синонимичные кодоны TAA, продемонстрировав, что масштабные замены можно объединить в штаммы более высокого порядка без летальных последствий. После успешной замены кодонов во всем геноме авторы продолжили работу и добились перепрограммирования 13 кодонов по всему геному, что напрямую повлияло на 42 жизненно важных гена. Еще более радикальным изменением генетического кода является переход от триплетных кодонов к квадроплетным и даже к квинтуплетным кодонам, впервые реализованный Сисидо в безклеточных системах и Шульцем в бактериях. Наконец, для введения новых аминокислот в белки можно использовать неестественные пары оснований.
Направленная эволюция
Цель замещения ДНК на XNA может быть достигнута и другим путем, а именно путем модификации окружающей среды, а не генетических модулей. Этот подход был успешно продемонстрирован Марльером и Мюцелем при создании штамма E. coli, ДНК которого состоит из стандартных нуклеотидов A, C и G, но содержит синтетический аналог тимина – 5-хлороурацил – вместо тимина (T) в соответствующих позициях последовательности. Эти клетки нуждаются в добавлении 5-хлороурацила извне для роста, но в остальном выглядят и функционируют как обычные E. coli. Однако в настоящее время эти клетки еще не являются полностью ауксотрофными по ксено-основанию, поскольку они все еще способны расти на тимине при его добавлении в среду.
Биобезопасность
Ксенобиологические системы предназначены для обеспечения ортогональности по отношению к естественным биологическим системам. (Пока еще гипотетический) организм, использующий XNA, различные пары оснований и полимеразы, и имеющий измененный генетический код, вряд ли сможет взаимодействовать с естественными формами жизни на генетическом уровне. Таким образом, эти ксенобиологические организмы представляют собой генетический анклав, не способный к обмену информацией с естественными клетками. Изменение генетического аппарата клетки приводит к семантическому ограничению. По аналогии с обработкой информации в ИТ, эта концепция безопасности называется «генетическим брандмауэром». Концепция генетического брандмауэра, по-видимому, преодолевает ряд ограничений предыдущих систем безопасности. Первое экспериментальное подтверждение теоретической концепции генетического брандмауэра было получено в 2013 году при создании геномно-перекодированного организма (GRO). В этом GRO все известные стоп-кодоны UAG в E. coli были заменены кодонами UAA, что позволило удалить фактор высвобождения 1 и переназначить функцию трансляции UAG. GRO продемонстрировал повышенную устойчивость к бактериофагу T7, тем самым показав, что альтернативные генетические коды снижают генетическую совместимость. Однако этот GRO все еще очень похож на своего естественного «родителя» и не может считаться обладающим генетическим брандмауэром. Возможность перераспределения функции большого числа триплетов открывает перспективу создания штаммов, сочетающих XNA, новые пары оснований, новые генетические коды и т.д., которые не смогут обмениваться информацией с естественным биологическим миром. Независимо от изменений, приводящих к механизму семантического сдерживания в новых организмах, любые новые биохимические системы все равно должны проходить токсикологический скрининг. XNA, новые белки и т.д. могут представлять собой новые токсины или обладать аллергенным потенциалом, который необходимо оценить.
Управление и вопросы регулирования
Ксенобиология может поставить под вопрос существующую нормативно-правовую базу, поскольку действующие законы и директивы регулируют генетически модифицированные организмы, но не затрагивают напрямую химически или геномно модифицированные организмы. Учитывая, что появление реальных ксенобиологических организмов не ожидается в ближайшие несколько лет, у лиц, принимающих политические решения, есть время подготовиться к надвигающимся задачам в области управления. С 2012 года следующие организации начали рассматривать эту тему как развивающуюся проблему управления: политические консультанты в США, четыре Национальных совета по биобезопасности в Европе, Европейская организация молекулярной биологии и Научный комитет Европейской комиссии по новым и возникающим рискам для здоровья (SCENIHR), который опубликовал три заключения: «Определение», «Методологии оценки рисков и аспекты безопасности», а также «Риски для окружающей среды и биоразнообразия, связанные с синтетической биологией, и исследовательские приоритеты в этой области».