Ксенобіологія (КБ) — це підрозділ синтетичної біології, яка вивчає створення і управління біологічними пристроями та системами. Термін «ксенобіологія» походить від давньогрецького ξενος і означає «чужий, гість». Таким чином, КБ описує форму біології, (поки що) не знайому науці, і яка не зустрічається в природі. На практиці це означає нові біологічні та біохімічні системи, які відрізняються від канонічної системи ДНК-РНК-20 амінокислот (див. класичну центральну догму молекулярної біології). Наприклад, замість ДНК чи РНК, КБ досліджує аналоги нуклеїнових кислот, які називаються ксенонуклеїнові кислоти (КсНК), як носії інформаціїPinheiro, 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. Вона також досліджує розширений генетичний 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 і включення непротеїногенних амінокислот в білкиNoren, 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.
Різниця між ксено- , екзо-, і астро- «Астро» означає «зірка», а «екзо» означає «зовні». І екзо-, і астробіологія займаються пошуком життя, яке природно еволюціонувало у Всесвіті, в основному на інших планетах «Голдилок» зон (навколозіркових придатних для існування зон). В той час як астробіологи займаються виявленням і аналізом (гіпотетично) існуючого життя у Всесвіті, ксенобіологія докладає зусиль до розробки форм життя з іншою біохімією чи іншим генетичним кодом на планеті ЗемляSchmidt M. Xenobiology: a new form of life as the ultimate biosafety tool Bioessays Vol 32(4):322-331.
Цілі ксенобіології Потенціал ксенобіології полягає у можливості виявити фундаментальні знання про біологію і походження життя. Для того, щоб краще зрозуміти походження життя, необхідно знати, чому життя розвинулось від РНК до системи ДНК-РНК-білок і його універсального генетичного кодуPace NR. 2001. The universal nature of biochemistry. Proc Natl Acad Sci USA 98: 805-8.. Була це еволюційна «випадковість», чи певні фактори виключили появу інших типів хімічних систем? Тестування альтернативних біохімічних «первинних бульйонів» може допомогти краще зрозуміти принципи, які породили життя в тому вигляді, в якому ми його знаємо зараз. Ксенобіологія — це підхід до розробки промислової виробничої системи з новими можливостями за допомогою створення посилених біополімерів та протидії патогенам. Генетичний код кодує у всіх організмах 20 канонічних амінокислот, які використовуються для біосинтезу білка. Іноді спеціальні амінокислоти, такі як селеноцистеїн, пірролізин чи селенометионін, можуть бути включені в білки в процесі біосинтезу у деяких організмівWiltschi, B. and N. Budisa, Natural history and experimental evolution of the genetic code. Applied Microbiology and Biotechnology, 2007. 74: p. 739–753. Використання додаткових амінокислот з понад 700 відомих біохімії дає можливість створити змінені білки з більш ефективними каталітичними чи фізичними функціями. Наприклад, метою проекта METACODE, який фінансується ЄС, є включення метатезиса (корисна каталітична функція, до цього часу невідома в живих організмах) в бактеріальні клітини. Інша причина, за якою КБ може поліпшити виробничі процеси, полягає у можливості зниження ризику зараження вірусом чи бактеріофагом у процесі культивації, оскільки КБ клітини будуть більш стійкими до зараження (підход, що називається «семантичне стримування»). Ксенобіологія надає можливість зпроектувати «генетичний брандмауер», нову систему біологічного стримування, яка може допомогти укріпити та диверсифікувати сучасні підходи до біо-стримування. Однією з проблем в традиційній генній інженерії та біотехнології є горизонтальне перенесення генів в навколишнє середовище і можливі ризики для здоров'я людини. Однією з основних ідей у КБ є розробка альтернативних генетичних кодів і біохімічних систем таким чином, що горизонтальне перенесення генів стає неможливим. Окрім того, альтернативні біохімічні системи також дозволяють створювати нових синтетичних ауксотрофів (організми, нездатні синтезувати певні органічні сполуки, необхідні для власного росту). Ціль їх створення полягає в тому, щоб сконструювати ортогональну біологічну систему, несумісну з природними генетичними системамиHerdewijn P, Marlière P. Toward safe genetically modified organisms through the chemical diversification of nucleic acids.Chem Biodivers. 2009 Jun;6(6):791-808..
Науковий підхід Ціллю ксенобіології є проєктування і створення біологічних систем, які відрізняються від своїх природних аналогів на одному або декількох основних рівнях. В ідеалі ці нові організми будуть відрізнятися у кожному можливому біохімічному аспекті, відбиваючи, таким чином, інший генетичний код. Довгострокова ціль полягає у створенні клітини, яка буде зберігати свою генетичну інформацію не в ДНК, але в альтернативному інформаційному полімері, який складається з КсНК, інших пар основ, з використанням неканонічних амінокислот та зміненого генетичного коду. На даний момент створено клітини, які включають лише одну або дві з цих функцій.
Ксенонуклеїнові кислоти (КсНК) Спочатку дослідження альтернативних форм ДНК було обумовлено питанням про те, як розвивалося життя на землі і чому РНК та ДНК були відібрані в процесі (хімічної) еволюції на відміну від інших можливих структур нуклеїнових кислотEschenmoser, A. (1999) Chemical etiology of nucleic acid structure. Science. 284, 2118–2124.. Систематичні експериментальні дослідження, спрямовані на диверсифікацію хімічної структури нуклеїнових кислот, призвели до створення абсолютно нових інформаційних біополімерів. На даний момент синтезирований ряд КсНК на базі нових хімічних основ чи мотивів 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, наприклад: гексозонуклеїнова кислота (ГНК), треозонуклеїнова кислота (ТНК)Ichida JK, Horhota A, Zou K, et al. (2005). High fidelity TNA synthesis by Therminator polymerase. Nucleic Acids Res 33: 5219-25, глікольнуклеїнова кислота (ГлНК), циклогексенілнуклеїнова 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. Включення КсНА в плазміди з використанням трьох кодонів ГНК відбулося у 2003 роціPochet 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. Ця КсНК використовується in vivo (E. coli) як матриця для синтезу ДНК. В це дослідження, яке використовувало подвійну (G/T) генетичну касету і дві основи, які не входять до складу ДНК (Hs/U), було включено також ЦНК. ГлНК на даний момент є занадто чужорідною для природної біологічної системи, щоб бути шаблоном для синтезу ДНКPezo V. et al. (2012). Binary Genetic Cassettes for Selecting XNA-Templated DNA Synthesis In Vivo . Angew Chem. 52: 8139-8143. Розширені основи, які використовують природний каркас ДНК, можуть також бути транслітеровані в природну ДНК, хоча і в більш обмежному ступеніKrueger AT. et al. (2011). Encoding Phenotype in Bacteria with an Alternative Genetic Set . J. Am. Chem. Soc. 133 (45):18447-18451.
Розширений генетичний алфавіт В той час як різноманітні КсНК мають модифіковані каркаси, інші експерименти націлені на заміну чи розширення генетичного алфавіту ДНК з використанням неприродних пар основ. Наприклад, була розроблена ДНК, яка замість чотирьох стандартних основ А, Т , G і C має шість основ: А, T , G , C, і дві нові: P і Z (де Z означає 6-аміно-5-нітро3 -(l'-Pd-2'-деоксирибофуранозил)-2(1Н)-пирідон, а P означає 2-аміно-8-(1-бета-D-2'-деоксирибофуранозил)імідазо[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 та ін. перевірили стійкість 60 основ-кандидатів (отримавши близько 3600 пар основ) для можливого включення до 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.
Нові полімерази Ані КсНК, ані неприродні основи не розпізнаються природними полімеразами. Однією з основних проблем є знаходження чи створення нових типів полімераз, які будуть в змозі копіювати ці нові конструкції. В одному випадку було виявлено, що модифікований варіант ВІЛ-зворотньої транскриптази здатен до ПЦР-ампліфікації олігонуклеотида, який містить пару основ третього типуSismour, 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. Піньєро та ін. (2012) продемонстрували, що метод полімеразної еволюції і дизайна сприяв збереженню і відновленню генетичної інформації (менше ніж 100 пар основ довжиною) від шести альтернативних генетичних полімерів, основаних на простих нуклеїнових кислотах, які не зустрічаються в природіPinheiro VB et al. (2012) Synthetic genetic polymers capable of heredity and evolution. Science 336: 341–344.
Розробка генетичного коду Однією з цілей ксенобіології є переписати універсальний генетичний код. Найбільш перспективним підходом для зміни коду є переназначення кодонів, які рідко використовуються чи не використовуються взагаліBudisa, 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.