Ксенобиология (от — «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 информацииPinheiro, 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. Она также исследует расширенный генетический кодBain, 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 и включение не-протеиногенных аминокислот в белкиNoren, 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.
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 ЗемляSchmidt M. Xenobiology: a new form of life as the ultimate biosafety tool Bioessays Vol 32(4):322-331.
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 кодуPace NR. 2001. The universal nature of biochemistry. Proc Natl Acad Sci USA 98: 805-8.. 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 организмовWiltschi, B. and N. Budisa, Natural history and experimental evolution of the genetic code. Applied Microbiology and Biotechnology, 2007. 74: p. 739—753. 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 системамиHerdewijn P, Marlière P. Toward safe genetically modified organisms through the chemical diversification of nucleic acids. Chem Biodivers. 2009 Jun;6(6):791-808..
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 кислотEschenmoser, A. (1999) Chemical etiology of nucleic acid structure. Science. 284, 2118—2124.. 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 ДНКVastmans K, Froeyen M, Kerremans L, et al. (2001). Reverse transcriptase incorporation of 1,5-anhydrohexitol nucleotides. Nucleic Acids Res 29: 3154-63. 42Jang, 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, 416-23Pinheiro, V. B. and Holliger, P., (2012) The XNA world: Progress towards replication and evolution of synthetic genetic polymers. Current Opinion in Chemical Biology, 16, 245Pinheiro, V. B., Loakes, D. and Holliger, P. (2013) Synthetic polymers and their potential as genetic materials. Bioessays, 35, 113, например: гексозонуклеиновая кислота (ГНК), треозо-нуклеиновая кислота (ТНК)Ichida JK, Horhota A, Zou K, et al. (2005). High fidelity TNA synthesis by Therminator polymerase. Nucleic Acids Res 33: 5219-25, гликольнуклеиновая кислота (ГлНК), циклогексенилнуклеиновая кислота (ЦНК)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, пептидонуклеиновая кислота (ПНК). Включение КсНК в плазмиды с использованием трех кодонов ГНК было проделано в 2003 годуPochet 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. 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 ДНКPezo V. et al. (2012). Binary Genetic Cassettes for Selecting XNA-Templated DNA Synthesis In Vivo . Angew Chem. 52: 8139-8143. Расширенные основы, используя естественный каркас ДНК, могут также быть транслитерированы в природную ДНК , хотя и в более ограниченной степениKrueger AT. et al. (2011). Encoding Phenotype in Bacteria with an Alternative Genetic Set . J. Am. Chem. Soc. 133 (45):18447-18451.
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))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—735Yang, 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, 6095-6101Yang, 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. Леконт и др. проверили устойчивость 60 оснований-кандидатов (получив около 3600 пар оснований) для возможного включения в ДНКLeconte, 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.
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 типаSismour, 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, 5640-5646Havemann, 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. 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]Pinheiro VB et al. (2012) Synthetic genetic polymers capable of heredity and evolution. Science 336: 341—344.
Разработка генетического кода Одна из целей ксенобиологии — это переписать универсальный генетический код. Наиболее перспективным подходом для изменения кода является переназначение редко используемых или неиспользуемых кодоновBudisa, 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.