Xenobiologie

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 5 martie 2019; verificările necesită 44 de modificări .

Xenobiologia (din altă greacă ξενος  - „extraterestru, oaspete”, prescurtat ca KB) este o subsecțiune a biologiei sintetice care studiază crearea și controlul dispozitivelor și sistemelor biologice. KB descrie o formă de biologie care este (încă) necunoscută științei și nu apare în natură. În practică, denotă noi sisteme biologice și biochimice care diferă de sistemul canonic ADN - ARN -20 aminoacizi (vezi dogma centrală clasică în biologia moleculară ). De exemplu, în loc de ADN sau ARN, KB explorează analogi ai acizilor nucleici numiți acizi xenonucleici (XNA) ca purtători de informații [1]. Ea explorează, de asemenea, codul genetic extins [2] și încorporarea aminoacizilor neproteinogeni în proteine ​​[3] .

Diferența dintre xeno-, exo- și astro-

„Astro” înseamnă „stea” și „exo” înseamnă „afară”. Atât exobiologia, cât și astrobiologia sunt angajate în căutarea vieții evoluate în mod natural în univers, în principal pe alte planete din zonele locuibile . În timp ce astrobiologii sunt preocupați de identificarea și analiza (ipotetic) a vieții existente în univers, xenobiologia face eforturi pentru a dezvolta o formă de viață cu o biochimie diferită sau un cod genetic diferit pe planeta Pământ [4] .

Obiectivele xenobiologiei

Abordare științifică

Scopul xenobiologiei este proiectarea și crearea de sisteme biologice care diferă de omologii lor naturali pe unul sau mai multe niveluri de bază. În mod ideal, aceste noi organisme ar fi diferite în fiecare aspect biochimic posibil, reflectând un cod genetic complet diferit. Scopul pe termen lung este de a crea o celulă care să-și stocheze informațiile genetice nu în ADN, ci într-un polimer informațional alternativ constând din acizi xenonucleici (XNA), alte perechi de baze, folosind aminoacizi necanonici și un cod genetic modificat. În prezent, au fost create celule care includ doar una sau două dintre aceste funcții.

Acizi xenonucleici (XNA)

Inițial, studiul formelor alternative de ADN a fost condus de întrebarea cum s-a dezvoltat viața pe Pământ și de ce ARN-ul și ADN-ul au fost selectați în procesul de evoluție (chimică), spre deosebire de alte structuri posibile ale acizilor nucleici [8] . Studiile experimentale sistematice care vizează diversificarea structurii chimice a acizilor nucleici au condus la crearea de biopolimeri informaționali complet noi. Până în prezent, un număr de XNA au fost sintetizate pe baza unor noi baze chimice sau a unor motive ADN [9] [10] [11] [12] , de exemplu: acid hexosonucleic (HNA), acid nucleic treozo (TNA) [13] , acid nucleic glicol (GlNA), acid nucleic ciclohexenil (CNA ) [14] , acid peptidonucleic (PNA). Încorporarea XNA în plasmide folosind trei codoni GNA a fost făcută în 2003 [15] . Acest XNA este utilizat in vivo (E. coli) ca matriță pentru sinteza ADN. În acest studiu, folosind o casetă genetică binară (G/T) și două baze non-ADN (Hs/U), a fost inclus și CNA, în timp ce GlNA în prezent pare a fi prea străin de sistemul biologic natural care va fi folosit ca un șablon pentru sinteza ADN [16] . Tulpinile extinse care folosesc coloana vertebrală naturală a ADN-ului pot fi, de asemenea, transliterate în ADN natural, deși într-o măsură mai limitată [17] .

Extinderea alfabetului genetic

În timp ce diverse XNA-uri au schele modificate, alte experimente urmăresc să înlocuiască sau să extindă alfabetul genetic ADN-ului folosind perechi de baze nenaturale. De exemplu, ADN-ul a fost proiectat care are, în loc de cele patru baze standard A, T, G și C, șase baze A, T, G, C și două noi P și Z (unde Z reprezintă 6-amino-5 -nitro3-(l'-Pd-2'-deoxiribofuranozil)-2(1H)-piridonă şi P este 2-amino-8-(1-beta-D-2'-dezoxiribofuranozil)imidazo[1,2-a ]-1,3,5-triazin-4(8Н)) [18] [19] [20] . Leconte și colab. au testat stabilitatea a 60 de baze candidate (rezultând aproximativ 3600 de perechi de baze) pentru o posibilă încorporare în ADN [21] .

Polimeraze noi

Nici XNA, nici bazele nenaturale nu sunt recunoscute de polimerazele naturale . Una dintre principalele provocări este găsirea sau crearea de noi tipuri de polimeraze care vor fi capabile să reproducă aceste noi construcții. Într-un caz, s-a descoperit că o variantă modificată a revers transcriptazei HIV este capabilă de amplificarea prin PCR a unei oligonucleotide care conține o pereche de baze de tip 3 [22] [23] . Pinheiro și colab. (2012) au demonstrat că evoluția și metoda de proiectare a polimerazei au condus cu succes la stocarea și regăsirea informațiilor genetice (cu o lungime mai mică de 100 de perechi de baze) din șase polimeri genetici alternativi bazați pe acizi nucleici simpli care nu apar în mod natural [XsNA] [24] .

Dezvoltarea codului genetic

Unul dintre scopurile xenobiologiei este de a rescrie codul genetic universal. Cea mai promițătoare abordare pentru modificarea codului este realocarea codonilor rar utilizați sau neutilizați [25] . În mod ideal, codul genetic este crescut cu un codon, eliberându-și astfel funcția anterioară și trecând la codificarea unui aminoacid non-canonic (ncAA) ("expansiunea codului"). Deoarece aceste metode sunt laborioase de implementat, există posibilitatea de a folosi căi mai scurte („dezvoltarea codului”), de exemplu, în bacteriile auxotrofe față de un aminoacid specific, care în experiment primesc analogi izostructurali în loc de aminoacizi canonici. În această situație, reziduurile canonice de aminoacizi din proteinele native sunt înlocuite cu ncAA. Este chiar posibil să se introducă mai multe ncAA diferite în aceeași proteină [26] . În cele din urmă, setul de 20 de aminoacizi canonici poate fi nu numai extins, ci și redus la 19 [27] . Specificitatea codonului poate fi modificată prin reatribuirea perechii ARN de transfer (ARNt)/ARNt aminoacil sintetazei. Celulele care posedă astfel de sintetaze de aminoacil-ARNt sunt astfel capabile să citească secvențe de ARNm care nu pot fi citite de sistemul actual de expresie a genelor [28] . Schimbarea codonului: perechile de tARN sintetaze pot promova încorporarea aminoacizilor non-canonici în proteine ​​in vivo [29] [30] . În trecut, reatribuirea codonilor a avut loc în mare parte la o scară limitată. Cu toate acestea, în 2013, Farren Isaacs și George Church de la Universitatea Harvard au raportat înlocuirea tuturor celor 314 de codoni stop TAG din genomul E. coli cu codoni TAA sinonimi, demonstrând că substituțiile masive pot fi făcute în tulpini de ordin superior, menținând în același timp viabilitatea tulpinii [31 ] . În urma succesului acestui schimb de codoni, autorii au continuat și au reprogramat 13 codoni în întregul genom, afectând direct 42 de gene majore [32] .

Schimbări și mai radicale ale codului genetic sunt schimbările de la codon triplet la codon cvadruplet și chiar pentaplet produși de Sishido în sistemele libere [33] și de Schultz în celulele bacteriene [34] . În cele din urmă, perechile de baze non-naturale pot fi folosite pentru a introduce un nou aminoacid în proteine ​​[35] .

Evoluție dirijată

Înlocuirea ADN-ului cu XNA se poate face și în alt mod, și anume prin schimbarea mediului în locul modulelor genetice. Această abordare a fost demonstrată cu succes de Marlier și Mutzel: au creat o tulpină de E. coli al cărei ADN constă din nucleotidele standard A, C și G, dar are și analogul de timină sintetic 5-clorouracil în locurile adecvate din secvența ADN. Aceste celule depind apoi de 5-clorouracil extern pentru creștere, dar altfel arată și se comportă ca o tulpină normală de E. coli. Această abordare creează astfel două bariere în calea oricărei interacțiuni cu alte bacterii, deoarece tulpina este auxotrofică pentru un compus chimic nenatural și conține o formă de ADN care nu poate fi descifrată de alte organisme [36] .

Biosecuritate

Sistemele xenobiologice sunt concepute pentru a oferi ortogonalitate sistemelor biologice naturale. Un organism ipotetic care conține XNA [37] , alte perechi de baze și polimeraze și are un cod genetic modificat este puțin probabil să poată interacționa cu formele de viață naturale la nivel genetic. Astfel, aceste organisme xenobiologice reprezintă o enclavă genetică care nu poate face schimb de informații cu celulele naturale [38] . Schimbarea aparatului genetic al celulelor duce la izolarea semantică. Prin analogie cu procesarea informațiilor în IT, acest concept de securitate este numit „firewall genetic” [4] [39] . Conceptul de „firewall genetic” poate depăși o serie de limitări ale sistemelor de securitate anterioare [40] [41] . Prima dovadă experimentală pentru acest concept teoretic a fost obținută în 2013 odată cu crearea unui „organism recodat genomului” (GRO). În acest organism, toți codonii de stop UAG cunoscuți din E. coli au fost modificați în codoni UAA, ceea ce a permis ca funcția de translație să fie reatribuită codonului UAG. GPO a demonstrat o rezistență crescută la bacteriofagul T7, arătând astfel că codurile genetice alternative reduc compatibilitatea genetică [42] . Acest GPO, totuși, este încă foarte asemănător cu „strămoșul” său natural și nu poate fi considerat un „firewall genetic”. Capacitatea de a reatribui funcțiile unui număr mare de tripleți face posibilă dezvoltarea unor tulpini care combină XNA-uri, noi perechi de baze, noi coduri genetice etc. și care nu pot face schimb de informații cu lumea biologică naturală. În timp ce „paravanul de protecție genetic” poate implementa mecanisme de reținere semantică în organisme noi, noi sisteme biochimice trebuie încă evaluate în legătură cu noile toxine și xenobiotice [43] [44] .

Guvernanță și afaceri de reglementare

Xenobiologia poate reprezenta o provocare pentru cadrul de reglementare, deoarece în prezent legile și directivele se ocupă de organismele modificate genetic, dar nu menționează în mod explicit organismele modificate chimic sau genomic. Avand in vedere ca in realitate organismele xenobiologice nu sunt asteptate in urmatorii ani, legislatia are ceva timp sa se pregateasca pentru schimbarile viitoare la nivel de management. Din 2012, consilierii politici din SUA [45] , patru comitete naționale de biosecuritate din Europa [46] și Organizația Europeană pentru Biologie Moleculară [47] au remarcat acest subiect ca o problemă emergentă de management.

Vezi și

Link -uri

  1. ↑ Pinheiro, VB și Holliger, P., 2012. Lumea XNA: Progresul către replicarea și evoluția polimerilor genetici sintetici. Opinia curentă în biologie chimică, 16, 245
  2. ↑ Bain, JD, Switzer, C., Chamberlin, R., & Steven A. Bennert, SA (1992). Încorporarea mediată de ribozomi a unui aminoacid nestandard într-o peptidă prin extinderea codului genetic, Nature 356, 537-539
  3. ↑ Noren, CJ, Anthony-Cahill, SJ, Griffith, MC, Schultz, PG (1989). O metodă generală pentru încorporarea specifică locului a aminoacizilor nenaturali în proteine. Știința 44, 82-88
  4. ↑ 1 2 Schmidt M. Xenobiology: a ultimate new form of life as the biosafety tool Arhivat 27 martie 2021 la Wayback Machine Bioessays Vol. 32(4):322-331
  5. ↑ Pace NR. 2001. Natura universală a biochimiei. Proc Natl Acad Sci USA 98: 805-8.
  6. ↑ Wiltschi, B. și N. Budisa, Istoria naturală și evoluția experimentală a codului genetic. Microbiologie aplicată și biotehnologie, 2007. 74: p. 739-753
  7. ↑ Herdewijn P, Marlière P. Către organisme sigure modificate genetic prin diversificarea chimică a acizilor nucleici. Chem Biodivers. 2009 iunie;6(6):791-808.
  8. ^ Eschenmoser , A. (1999) Etiologia chimică a structurii acidului nucleic. Ştiinţă. 284, 2118-2124.
  9. ↑ Vastmans K, Froeyen M, Kerremans L, et al. (2001). Încorporarea transcriptază inversă a nucleotidelor de 1,5-anhidrohexitol. Nucleic Acids Res 29: 3154-63. 42
  10. ↑ Jang, M și colab. (2013). Un substrat sintetic al ADN polimerazei care se abate de la bazele, zahărul și grupul de plecare al trifosfaților deoxinucleozidici canonici. Chimie & Biologie, 20(3), art. Nu. 10.1016/j. chembiol.2013.02.010, 416-23
  11. ↑ Pinheiro, VB și Holliger, P., (2012) Lumea XNA: Progresul către replicarea și evoluția polimerilor genetici sintetici. Opinia curentă în biologie chimică, 16, 245
  12. ↑ Pinheiro, VB, Loakes, D. și Holliger, P. (2013) Polimeri sintetici și potențialul lor ca materiale genetice. Bioessays, 35, 113
  13. ↑ Ichida JK, Horhota A, Zou K, et al. (2005). Sinteza TNA de înaltă fidelitate prin polimerază Therminator. Nucleic Acids Res 33: 5219-25
  14. ↑ Kempeneers V, Renders M, Froeyen M, et al. (2005). Investigarea polimerizării acidului nucleic ciclohexenil dependent de ADN și a polimerizării ADN dependentă de acid nucleic ciclohexenil. Acizi nucleici Res. 33:3828-36
  15. ↑ Pochet S. și colab. (2003). Replicarea oligonucleotidelor hexitol ca preludiu la propagarea unui al treilea tip de acid nucleic in vivo. Comptes Rendus Biologies. 326:1175-1184
  16. ↑ Pezo V. și colab. (2012). Casete genetice binare pentru selectarea sintezei ADN-ului modelat XNA in vivo Arhivate 27 martie 2021 la Wayback Machine . Angew Chem. 52: 8139-8143
  17. ↑ Krueger A.T. et al. (2011). Codificarea fenotipului în bacterii cu un set genetic alternativ Arhivat 29 noiembrie 2019 la Wayback Machine . J. Am. Chim. soc. 133(45):18447-18451
  18. ↑ Sismour, A.M., et al. (2004) Amplificarea prin PCR a ADN-ului care conține perechi de baze non-standard prin variante ale transcriptazei inverse din virusul imunodeficienței umane-1. Acizi nucleici Res. 32, 728-735
  19. ↑ Yang, Z., Hutter, D., Sheng, P., Sismour, AM și Benner, SA (2006) Sistem de informații genetice extins artificial: o nouă pereche de baze cu un model alternativ de legături de hidrogen. Acizi nucleici Res. 34, 6095-6101
  20. ↑ Yang, Z., Sismour, AM, Sheng, P., Puskar, NL și Benner, SA (2007) Enzymatic incorporation of a third nucleobase pair. Acizi nucleici Res. 35, 4238-4249
  21. ↑ Leconte, AM, Hwang, GT, Matsuda, S., Capek, P., Hari, Y. și Romesberg, FE (2008) Descoperirea, caracterizarea și optimizarea unei perechi de baze nenaturale pentru extinderea alfabetului genetic. J. Am. Chim. soc. 130, 2336-2343
  22. ↑ Sismour, AM și Benner, SA (2005) Utilizarea analogilor de timidină pentru a îmbunătăți replicarea unei perechi de baze suplimentare ADN: un sistem biologic sintetic. Acizi nucleici Res. 33, 5640-5646
  23. ^ Havemann, SA, Hoshika , S., Hutter, D. și Benner, SA (2008) Incorporation of multiple sequential pseudothymidines by DNA polymerazes and their impact on DNA duplex structure. Nucleozide Nucleotide Acizi nucleici 27, 261-278
  24. ↑ Pinheiro VB și colab. (2012) Polimeri genetici sintetici capabili de ereditate și evoluție. Science 336: 341-344
  25. ↑ Budisa, N. (2005). Proiectarea codului genetic - Extinderea repertoriului de aminoacizi pentru proiectarea de proteine ​​noi, WILEY-VHC Weinheim, New York, Brisbane, Singapore, Toronto
  26. ↑ Hoesl, MG, Budisa, N., (2012). Progrese recente în ingineria codului genetic în Escherichia coli. Curr. Opinează. Biotehnologia. 23, 751-757
  27. ↑ Pezo, V., Guérineau, V., Le Caer, J.-P., Faillon, L., Mutzel, R. & Marlière, P. (2013). Un prototip metabolic pentru eliminarea triptofanului din codul genetic. Rapoarte științifice 3: 1359
  28. ^ Rackham, O. și Chin, JW (2005) O rețea de perechi de ARNm de ribozom ortogonal. Nat. Chim. Biol. 1, 159-166
  29. ^ Wang, L., Brock, A., Herberich , B. și Schultz, PG (2001) Expanding the genetic code of Escherichia coli. Știința 292, 498-500
  30. ^ Hartman, MC, Josephson, K., Lin, CW și Szostak, JW (2007) Un set extins de analogi de aminoacizi pentru traducerea ribozomală a peptidelor nenaturale. PLoS ONE 2, e972
  31. ↑ Isaacs FJ, et al. (2013) Manipularea precisă a cromozomilor in vivo permite înlocuirea codonului la nivelul genomului. 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. Ştiinţă. 342(6156):361-3
  33. ↑ Hohsaka T, Sisido M. (2002) Încorporarea aminoacizilor non-naturali în proteine. Curr Opin Chem Biol. 6, 809-815
  34. ↑ Anderson, JC, Wu, N., Santoro, SW, Lakshman, V., King, DS și Schultz, PG (2004) Un cod genetic extins cu un codon cvadruplet funcțional. Proc. Natl. Acad. sci. SUA 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). O pereche de baze nenaturale pentru încorporarea analogilor de aminoacizi în proteine. Nat Biotechnol, 20, 177-182
  36. ↑ Marliere P și colab. (2011) Evoluția chimică a genomului unei bacterii. Angewandte Chemie Int. Ed. 50(31): 7109-7114
  37. ↑ Herdewijn, P. și Marliere, P. (2009) Către organisme sigure modificate genetic prin diversificarea chimică a acizilor nucleici. Chim. biodivers. 6, 791-808
  38. ↑ Marliere, P. (2009) The farther, the safe: un manifest pentru navigarea în siguranță a speciilor sintetice departe de vechea lume vie Arhivat 21 februarie 2021 la Wayback Machine . Syst. Sintetizator. Biol. 3, 77-84
  39. ↑ Acevedo-Rocha CG, Budisa N (2011). Pe drumul către organisme modificate chimic, dotate cu un firewall genetic. Angewandte Chemie International Edition. 50(31):6960-6962
  40. ↑ Moe-Behrens GH, Davis R, Haynes KA. (2013) Pregătirea biologiei sintetice pentru lume Arhivat 27 martie 2021 la Wayback Machine Front Microbiol. 2013;4:5
  41. ↑ Wright O, Stan GB, Ellis T. (2013) Building-in biosafety for synthetic biology  (link inaccessible) Microbiology. 159(7):1221-35
  42. ↑ Lajoie MJ, et al. Organismele recodate genomic extind funcțiile biologice. Science, 2013, 342(6156):357-60
  43. ↑ Schmidt M, Pei L. 2011. Sintetic Toxicology: Where engineering meets biology and toxicology Arhivat 27 martie 2021 la Wayback Machine Toxicological Sciences. 120(S1), S204-S224
  44. ↑ Schmidt M. 2013. Safeguarding the Genetic Firewall with Xenobiology. În: 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 Arhivat 2 decembrie 2013. p.55-65
  46. ↑ Pauwels K. și colab. (2013) Raport eveniment: SynBio Workshop (Paris 2012) - Provocările de evaluare a riscurilor ale biologiei sintetice. Journal für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit. DOI 10.1007/s00003-013-0829-9
  47. ↑ Garfinkel M. (2013) Conținerea biologică a microorganismelor sintetice: știință și politică Arhivată 3 aprilie 2021 la Wayback Machine Report on a ESF/LESC Strategic Workshop