Acizii xenonucleici ( în engleză Xeno nucleic acids , XNA) sunt analogi sintetici ai acizilor nucleici care au o coloană vertebrală de zahăr care este diferită de acizii nucleici naturali ai ADN-ului și ARN -ului [1] . Începând cu 2011, s-a demonstrat că cel puțin șase tipuri de zaharuri sintetice formează coloana vertebrală a acidului nucleic care poate stoca și prelua informații genetice. În prezent, cercetările sunt în desfășurare pentru a crea polimeraze sintetice pentru transformarea XNA. Studiul producerii și aplicării sale a creat domeniul cunoscut sub numele de xenobiologie .
Deși informațiile genetice sunt încă stocate în patru perechi de baze canonice (spre deosebire de alți analogi ai acidului nucleic ), ADN polimerazele naturale nu pot citi și duplica aceste informații. Astfel, informația genetică stocată în XNA este „invizibilă” și, prin urmare, inutilă organismelor naturale bazate pe ADN [2] .
Structura ADN-ului a fost descoperită în 1953. Pe la începutul anilor 2000, cercetătorii au creat o serie de structuri exotice asemănătoare ADN-ului, XNA. XNA este un polimer sintetic care poate transporta aceeași informație ca și ADN-ul, dar cu componente moleculare diferite. „X” din XNA înseamnă „xeno”, adică „extraterestru” sau „extraterestru”, indicând o diferență în structura moleculară în comparație cu ADN sau ARN [3] .
Nu s-a făcut mare lucru cu XNA până când a fost dezvoltată o enzimă polimerază specială care ar putea copia XNA din matrița ADN și, de asemenea, copia XNA înapoi în ADN [4] . Pinheiro și colab. (2012), de exemplu, au demonstrat o astfel de polimerază capabilă de XNA care funcționează cu secvențe de ~100 bp. [5] Mai recent, biologii sintetici Philip Holliger și Alexander Taylor au reușit să creeze ierni XNA, echivalentul XNA al unei ribozime , enzime compuse din ADN sau acid ribonucleic. Acest lucru demonstrează că XNA-urile nu numai că stochează informații ereditare, ci pot servi și ca enzime, ridicând posibilitatea ca viața în altă parte să fi început de la altceva decât ARN sau ADN [6] .
Catenele de ADN și ARN sunt formate prin legarea între ele de lanțuri lungi de molecule numite nucleotide . O nucleotidă este formată din trei componente chimice: fosfat , o grupă de zahăr cu cinci atomi de carbon (poate fi fie zahăr dezoxiriboză - care ne dă litera "D" în ADN, fie zahăr riboză - litera "P" în ARN). și una dintre cele cinci baze standard ( adenină , guanină , citozină , timină sau uracil ).
Moleculele care se unesc pentru a forma cei șase acizi xenonucleici sunt aproape identice cu cele ale ADN-ului și ARN-ului, cu o singură excepție: în nucleotidele XNA , grupele de zahăr de dezoxiriboză și riboză ale ADN-ului și ARN-ului au fost înlocuite cu structuri chimice diferite. Aceste substituții fac XNA similar funcțional și structural cu ADN-ul și ARN-ul, în ciuda faptului că este nenatural și artificial.
XNA prezintă multe modificări structurale și chimice în comparație cu omologii săi naturali. Tipurile de XNA sintetice create până acum includ: [7]
HNA are potențialul de a acționa ca un medicament care poate recunoaște și se poate lega de secvențe specifice. Oamenii de știință au reușit să izoleze HNA pentru posibile secvențe de legare care vizează HIV [8] . Studiile au arătat că cu acidul nucleic ciclohexenic, CeNA cu stereochimie similară cu forma D poate crea duplexuri stabile cu sine și ARN. S-a demonstrat că CeNA-urile nu sunt la fel de stabile atunci când formează duplexuri cu ADN [9] .
Studiul XNA nu este destinat să ofere oamenilor de știință o mai bună înțelegere a evoluției biologice așa cum a avut loc istoric, ci mai degrabă să exploreze modalități prin care putem controla și chiar reprograma structura genetică a organismelor biologice în viitor. XNA a demonstrat un potențial semnificativ în rezolvarea problemei urgente a contaminării genetice a organismelor modificate genetic [10] . În timp ce ADN-ul este incredibil de eficient în capacitatea sa de a stoca informații genetice și de a oferi biodiversitate complexă, alfabetul său genetic de patru litere este relativ limitat. Utilizarea unui cod genetic de șase XNA în locul celor patru baze nucleotidice naturale ale ADN-ului oferă posibilități nesfârșite pentru modificarea genetică și extinderea funcționalității chimice [11] .
Dezvoltarea diferitelor ipoteze și teorii despre XNA a schimbat un factor cheie în înțelegerea noastră actuală a acizilor nucleici: ereditatea și evoluția nu se limitează la ADN și ARN, așa cum se credea cândva, ci sunt pur și simplu procese care au evoluat din polimeri capabili să stocheze informații. [12] . Studiile XNA vor permite cercetătorilor să evalueze dacă ADN-ul și ARN-ul sunt cele mai eficiente și dezirabile blocuri de construcție ale vieții sau dacă aceste două molecule au fost selectate aleatoriu după evoluția dintr-o clasă mai largă de strămoși chimici [13] .
O teorie pentru utilizarea XNA este includerea sa în medicină ca mijloc de combatere a bolii. Unele enzime și anticorpi care sunt administrați în prezent pentru a trata diferite boli se descompun prea repede în stomac sau sânge. Deoarece XNA este străin și se crede că oamenii nu au dezvoltat încă enzimele care să-l descompună, XNA poate servi ca o contraparte mai fiabilă pentru terapiile pe bază de ADN și ARN utilizate în prezent [14] .
Experimentele cu XNA au făcut deja posibilă înlocuirea și extinderea acestui alfabet genetic, iar XNA a demonstrat complementaritatea cu nucleotidele ADN și ARN, sugerând posibilitatea transcripției și recombinării sale. Un experiment de la Universitatea din Florida a dus la generarea unui aptamer XNA de către AEGIS-SELEX (sistem de informații genetice artificiale - evoluție sistematică a ligandului prin îmbogățire exponențială) urmată de legarea cu succes la o linie celulară de cancer de sân [15] . În plus, experimentele pe modelul de bacterie E. coli au demonstrat capacitatea XNA de a servi ca matriță biologică pentru ADN in vivo [16] .
Pe măsură ce cercetarea genetică XNA avansează, trebuie luate în considerare diverse probleme legate de biosecuritate , biosecuritate , etică și guvernare/reglementare [7] . Una dintre întrebările cheie aici este dacă XNA in vivo se va amesteca cu ADN și ARN în mediul său natural, privând astfel oamenii de știință de capacitatea de a controla sau de a prezice consecințele sale într-o mutație genetică [17] .
XNA are, de asemenea, utilizări potențiale ca catalizator , similar modului în care ARN-ul poate fi utilizat ca enzimă . Cercetătorii au arătat că XNA este capabil să scindeze și să ligate ADN-ul, ARN-ul și alte secvențe XNA, cu cea mai mare activitate în reacțiile catalizate de XNA pe moleculele XNA. Acest studiu poate fi folosit pentru a determina dacă rolul ADN-ului și ARN-ului în viață a apărut ca urmare a proceselor de selecție naturală sau a fost doar o coincidență [18] .
XNA poate fi utilizat ca cleme moleculare în reacții cantitative în lanț a polimerazei în timp real (qPCR) prin hibridizare la secvențele de ADN țintă [19] . Într-un studiu publicat în PLOS ONE , analiza moleculară mediată de XNA a dezvăluit ADN-ul fără celule mutante (cfDNA) al leziunilor precanceroase în cancerul colorectal (CRC) și cancerul colorectal [19] . XNA poate acționa, de asemenea, ca o sondă moleculară foarte specifică pentru a detecta o secvență țintă de acid nucleic [20] .
| Tipuri de acizi nucleici | ||||
|---|---|---|---|---|
| Baze azotate | ||||
| Nucleozide | ||||
| Nucleotide | ||||
| ARN | ||||
| ADN | ||||
| Analogii | ||||
| Tipuri de vectori |
| |||
| ||||