Azərbaycanca AzərbaycancaБеларускі БеларускіDansk DanskDeutsch DeutschEspañola EspañolaFrançais FrançaisIndonesia IndonesiaItaliana Italiana日本語 日本語Қазақ ҚазақLietuvos LietuvosNederlands NederlandsPortuguês PortuguêsРусский Русскийසිංහල සිංහලแบบไทย แบบไทยTürkçe TürkçeУкраїнська Українська中國人 中國人United State United StateAfrikaans Afrikaans
Підтримка
www.wikidata.uk-ua.nina.az

Не плутати з Астробіологією Не плутати з Космічною біологією Ксенобіологія КБ це підрозділ синтетичної біології яка вивч

Ксенобіологія

Ксенобіологія
Не плутати з Астробіологією.
Не плутати з Космічною біологією.

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 інформації. Вона також досліджує розширений генетичний код і включення не-протеїногенних амінокислот в білки.

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 Земля.

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 коду. 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 організмів. Використання додаткових амінокислот з понад 700 відомих біохімії дає можливість створити змінені білки з більш ефективними каталітичними чи фізичними функціями. Наприклад, метою проекта , 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 системами.

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 кислот. 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 ДНК, наприклад: гексозонуклеїнова кислота (ГНК), треозонуклеїнова кислота (ТНК), глікольнуклеїнова кислота (ГлНК), циклогексенілнуклеїнова кислота (ЦНК). Включення КсНА в плазміди з використанням трьох кодонів ГНК відбулося у 2003 році. 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 ДНК. Розширені основи, які використовують природний каркас ДНК, можуть також бути транслітеровані в природну ДНК, хоча і в більш обмежному ступені.

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)). Леконт та ін. перевірили стійкість 60 основ-кандидатів (отримавши близько 3600 пар основ) для можливого включення до ДНК.

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 типу. 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 природі.

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 взагалі. В ідеальному випадку генетичний код збільшується на один кодон, таким чином звільняючись від своєї попередньої функції і переключаючись на кодування неканонічної амінокислоти (нкАК) («розширення коду»). Оскільки ці методи складні в реалізації, існує можливість використання більш коротких шляхів («розробка коду»), наприклад у ауксотрофних щодо специфічної амінокислоти бактерій, які в експерименті отримують ізоструктурні аналоги замість канонічних амінокислот. В цій ситуації канонічні амінокислотні залишки в нативних білках заміщуються на нкАК. Можливе також введення декількох різних нкАК в один і той же білок. Нарешті, набір з 20 канонічних амінокислот може бути не тільки розширений, але також і зменшений до 19. Специфічність кодону може бути змінена за допомогою переназначення пари транспортна РНК (тРНК)/аміноацил тРНК-синтетаза. Клітини, які містять такі аміноацил-тРНК синтетази, таким чином, здатні прочитати послідовності мРНК, нечитабельні для існуючої системи генної експресії. Зміна кодону: пари тРНК синтетази можуть сприяти включенню в білки неканонічних амінокислот in vivo. В минулому переназначення кодону в основному відбувалося в обмеженому масштабі. Однак у 2013 році Фаррен Айзекс і Джордж Черч з Гарвардського університету повідомили про заміну всіх 314 TAG стоп-кодонів геному E. coli на синонімічні кодони ТАА, тим самим продемонструвавши, що масові заміни можуть бути проведені в штамах висшого порядку зі збереженням життєздатності штаму. Після успіху цієї заміни кодонів автори продовжили роботу і перепрограмували 13 кодонів по всьому геному, які безпосередньо торкаються 42 основних генів.

Ще більш радикальними змінами в генетичному коді є зміни триплетного кодону на квадриплетний і навіть пентаплетний кодони, які були проведені Сисидо в безклітинних системах, і Шульцем в бактеріальних клітинах. Нарешті, неприродні пари основ можуть бути використані для введення в білки нової амінокислоти.

Направлена еволюція

Заміна ДНК на КсНК може бути також виконана іншим шляхом, а саме шляхом зміни навколишнього середовища замість генетичних модулів. Цей підхід успішно продемонстрували Марльєр і Мютцель: вони створили штам E. coli, ДНК якого складається зі стандартних A, C і G нуклеотидів, але також має синтетичний аналог тиміну — 5-хлорурацил — у відповідних місцях ДНК послідовності. Ріст цих клітин в подальшому залежить від 5-хлорурацилу, який надходить ззовні, але в іншому вони виглядають і поводять себе, як звичайний штам E. coli. Цей підхід, таким чином, встановлює два бар'єри для будь-якої взаємодії з іншими бактеріями, оскільки штам є ауксотрофним для неприродної хімічної сполуки, і містить форму ДНК, яка не може бути розшифрована іншими організмами.

Біобезпека

Ксенобіологічні системи призначені для надання ортогональності природним біологічним системам. Гіпотетичний організм, який містить КсНК, інші пари основ і полімерази, та має змінений генетичний код, навряд чи буде в змозі взаємодіяти з природними формами життя на генетичному рівні. Таким чином, ці ксенобіологічні организми являють собою генетичний анклав, який не може обмінюватися інформацією з природними клітинами. Зміна генетичного апарату клітин призводить до семантичного стримування. По аналогії з обробкою інформації в ІТ, ця концепція безпеки називається «генетичний брандмауер». Концепція «генетичного брандмауера» може подолати низку обмежень попередніх систем безпеки. Перші експериментальні докази цієї теоретичної концепції були отримані в 2013 році зі створенням «геномно перекодованого організму» (ГПО). В цьому організмі всі відомі UAG стоп-кодони в E.coli були замінені на UAA кодони, що дозволило переназначити функцію трансляції кодону UAG. ГПО продемонстрував підвищену стійкість до бактеріофага Т7, показуючи таким чином, що альтернативні генетичні коди дійсно зменшують генетичну сумісність. Цей ГПО, однак, так само дуже схожий на свого природного попередника і не може розглядатися як «генетичний брандмауер». Можливість переназначення функцій великої кількості триплетів робить можливим розробку штамів, які поєднують КсНК, нові пари основ, нові генетичні коди і т.і., та які не можуть обмінюватися жодною інформацією з природним біологічним оточенням. В той час як «генетичний брандмауер» може реалізувати семантичні механізми стримування в нових організмах, нові біохімічні системи так само повинні бути досліджені по відношенню до нових токсинів і ксенобіотиків.

Управління і регуляторні питання

Ксенобіологія може бути складним питанням для нормативно-правової бази, оскільки на даний момент закони і директиви регулюють питання про генетично модифіковані організми, але безпосередньо не згадують хімічно чи геномно модифіковані організми. Беручи до уваги, що в реальності ксенобіологічні організми в найближчі роки не очікуються, законодавство має деякий час для підготовки до майбутніх змін на рівні управління. Починаючи з 2012 року, політичні радники в США, чотири національних комітети з біобезпеки в Європі, і Європейська організація молекулярної біології відмітили дану тему як майбутню проблему управління.

Посилання

  1. Pinheiro, 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
  2. Bain, 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
  3. Noren, 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
  4. Schmidt M. Xenobiology: a new form of life as the ultimate biosafety tool [ 27 березня 2021 у Wayback Machine.] Bioessays Vol 32(4):322-331
  5. Pace NR. 2001. The universal nature of biochemistry. Proc Natl Acad Sci USA 98: 805-8.
  6. Wiltschi, B. and N. Budisa, Natural history and experimental evolution of the genetic code. Applied Microbiology and Biotechnology, 2007. 74: p. 739–753
  7. Herdewijn P, Marlière P. Toward safe genetically modified organisms through the chemical diversification of nucleic acids.Chem Biodivers. 2009 Jun;6(6):791-808.
  8. Eschenmoser, A. (1999) Chemical etiology of nucleic acid structure. Science. 284, 2118–2124.
  9. Vastmans K, Froeyen M, Kerremans L, et al. (2001). Reverse transcriptase incorporation of 1,5-anhydrohexitol nucleotides. Nucleic Acids Res 29: 3154-63. 42
  10. Jang, 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, 416-23
  11. Pinheiro, 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
  12. Pinheiro, V.B., Loakes, D. and Holliger, P. (2013) Synthetic polymers and their potential as genetic materials. Bioessays, 35, 113
  13. Ichida JK, Horhota A, Zou K, et al. (2005). High fidelity TNA synthesis by Therminator polymerase. Nucleic Acids Res 33: 5219-25
  14. 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
  15. Pochet 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
  16. Pezo V. et al. (2012). Binary Genetic Cassettes for Selecting XNA-Templated DNA Synthesis In Vivo [ 27 березня 2021 у Wayback Machine.]. Angew Chem. 52: 8139-8143
  17. Krueger AT. et al. (2011). Encoding Phenotype in Bacteria with an Alternative Genetic Set [ 27 березня 2021 у Wayback Machine.]. J. Am. Chem. Soc. 133 (45):18447-18451
  18. 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, 728–735
  19. Yang, 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, 6095-6101
  20. Yang, 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
  21. Leconte, 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
  22. Sismour, 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, 5640-5646
  23. Havemann, 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
  24. Pinheiro VB et al. (2012) Synthetic genetic polymers capable of heredity and evolution. Science 336: 341–344
  25. Budisa, 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
  26. Hoesl, M. G., Budisa, N., (2012). Recent advances in genetic code engineering in Escherichia coli. Curr. Opin. Biotechnol. 23, 751–757
  27. Pezo, V., Guérineau, V., Le Caer, J.-P., Faillon, L., Mutzel, R. & Marlière, P. (2013). A metabolic prototype for eliminating tryptophan from the genetic copde. Scientific Reports 3: 1359
  28. Rackham, O. and Chin, J.W. (2005) A network of orthogonal ribosome mRNA pairs. Nat. Chem. Biol. 1, 159–166
  29. Wang, L., Brock, A., Herberich, B. and Schultz, P.G. (2001) Expanding the genetic code of Escherichia coli. Science 292, 498–500
  30. Hartman, M.C., Josephson, K., Lin, C.W. and Szostak, J.W. (2007) An expanded set of amino acid analogs for the ribosomal translation of unnatural peptides. PLoS ONE 2, e972
  31. Isaacs FJ, et al. (2013) Precise manipulation of chromosomes in vivo enables genome-wide codon replacement. 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. Science. 342(6156):361-3
  33. Hohsaka T, Sisido M. (2002) Incorporation of non-natural amino acids into proteins. Curr Opin Chem Biol. 6, 809–815
  34. Anderson, J.C., Wu, N., Santoro, S.W., Lakshman, V., King, D.S. and Schultz, P.G. (2004) An expanded genetic code with a functional quadruplet codon. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 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). An unnatural base pair for incorporating amino acid analogs into proteins. Nat Biotechnol, 20, 177–182
  36. Marliere P et al. (2011) Chemical Evolution of a Bacterium's Genome. Angewandte Chemie Int. Ed. 50(31): 7109-7114
  37. Herdewijn, P. and Marliere, P. (2009) Toward safe genetically modified organisms through the chemical diversification of nucleic acids. Chem. Biodivers. 6, 791–808
  38. Marliere, P. (2009) The farther, the safer: a manifesto for securely navigating synthetic species away from the old living world [ 21 лютого 2021 у Wayback Machine.]. Syst. Synth. Biol. 3, 77-84
  39. Acevedo-Rocha CG, Budisa N (2011). On the Road towards Chemically Modified Organisms Endowed with a Genetic Firewall. Angewandte Chemie International Edition. 50(31):6960-6962
  40. Moe-Behrens GH, Davis R, Haynes KA. (2013) Preparing synthetic biology for the world. [ 27 березня 2021 у Wayback Machine.] Front Microbiol. 2013;4:5
  41. Wright O, Stan GB, Ellis T. (2013) Building-in biosafety for synthetic biology.[недоступне посилання з квітня 2019] Microbiology. 159 (7):1221-35
  42. Lajoie MJ, et al. Genomically Recoded Organisms Expand Biological Functions. Science, 2013, 342(6156):357-60
  43. Schmidt M, Pei L. 2011. Synthetic Toxicology: Where engineering meets biology and toxicology [ 27 березня 2021 у Wayback Machine.] Toxicological Sciences. 120(S1), S204-S224
  44. Schmidt M. 2013. Safeguarding the Genetic Firewall with Xenobiology. In: 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 [ 2 грудня 2013 у Wayback Machine.] p.55-65
  46. Pauwels K. et al. (2013) Event report: SynBio Workshop (Paris 2012) — Risk assessment challenges of Synthetic Biology. Journal für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit. DOI 10.1007/s00003-013-0829-9
  47. Garfinkel M. (2013) Biological containment of synthetic microorganisms: science and policy. [ 3 квітня 2021 у Wayback Machine.] Report on a ESF/LESC Strategic Workshop

Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет

Ne plutati z Astrobiologiyeyu Ne plutati z Kosmichnoyu biologiyeyu Ksenobiologiya KB ce pidrozdil sintetichnoyi biologiyi yaka vivchaye stvorennya i upravlinnya biologichnimi pristroyami ta sistemami Termin ksenobiologiya pohodit vid davnogreckogo 3enos i oznachaye chuzhij gist Takim chinom KB opisuye formu biologiyi poki sho ne znajomu nauci i yaka ne zustrichayetsya v prirodi Na praktici ce oznachaye novi biologichni ta biohimichni sistemi yaki vidriznyayutsya vid kanonichnoyi sistemi DNK RNK 20 aminokislot div klasichnu centralnu dogmu molekulyarnoyi biologiyi Napriklad zamist DNK chi RNK KB doslidzhuye analogi nukleyinovih kislot yaki nazivayutsya ksenonukleyinovi kisloti KsNK yak nosiyi informaciyi Vona takozh doslidzhuye rozshirenij genetichnij kod i vklyuchennya ne proteyinogennih aminokislot v bilki Riznicya mizh kseno ekzo i astro Astro oznachaye zirka a ekzo oznachaye zovni I ekzo i astrobiologiya zajmayutsya poshukom zhittya yake prirodno evolyucionuvalo u Vsesviti v osnovnomu na inshih planetah Goldilok zon navkolozirkovih pridatnih dlya isnuvannya zon V toj chas yak astrobiologi zajmayutsya viyavlennyam i analizom gipotetichno isnuyuchogo zhittya u Vsesviti ksenobiologiya dokladaye zusil do rozrobki form zhittya z inshoyu biohimiyeyu chi inshim genetichnim kodom na planeti Zemlya Cili ksenobiologiyiPotencial ksenobiologiyi polyagaye u mozhlivosti viyaviti fundamentalni znannya pro biologiyu i pohodzhennya zhittya Dlya togo shob krashe zrozumiti pohodzhennya zhittya neobhidno znati chomu zhittya rozvinulos vid RNK do sistemi DNK RNK bilok i jogo universalnogo genetichnogo kodu Bula ce evolyucijna vipadkovist chi pevni faktori viklyuchili poyavu inshih tipiv himichnih sistem Testuvannya alternativnih biohimichnih pervinnih buljoniv mozhe dopomogti krashe zrozumiti principi yaki porodili zhittya v tomu viglyadi v yakomu mi jogo znayemo zaraz Ksenobiologiya ce pidhid do rozrobki promislovoyi virobnichoyi sistemi z novimi mozhlivostyami za dopomogoyu stvorennya posilenih biopolimeriv ta protidiyi patogenam Genetichnij kod koduye u vsih organizmah 20 kanonichnih aminokislot yaki vikoristovuyutsya dlya biosintezu bilka Inodi specialni aminokisloti taki yak selenocisteyin pirrolizin chi selenometionin mozhut buti vklyucheni v bilki v procesi biosintezu u deyakih organizmiv Vikoristannya dodatkovih aminokislot z ponad 700 vidomih biohimiyi daye mozhlivist stvoriti zmineni bilki z bilsh efektivnimi katalitichnimi chi fizichnimi funkciyami Napriklad metoyu proekta yakij finansuyetsya YeS ye vklyuchennya metatezisa korisna katalitichna funkciya do cogo chasu nevidoma v zhivih organizmah v bakterialni klitini Insha prichina za yakoyu KB mozhe polipshiti virobnichi procesi polyagaye u mozhlivosti znizhennya riziku zarazhennya virusom chi bakteriofagom u procesi kultivaciyi oskilki KB klitini budut bilsh stijkimi do zarazhennya pidhod sho nazivayetsya semantichne strimuvannya Ksenobiologiya nadaye mozhlivist zproektuvati genetichnij brandmauer novu sistemu biologichnogo strimuvannya yaka mozhe dopomogti ukripiti ta diversifikuvati suchasni pidhodi do bio strimuvannya Odniyeyu z problem v tradicijnij gennij inzheneriyi ta biotehnologiyi ye gorizontalne perenesennya geniv v navkolishnye seredovishe i mozhlivi riziki dlya zdorov ya lyudini Odniyeyu z osnovnih idej u KB ye rozrobka alternativnih genetichnih kodiv i biohimichnih sistem takim chinom sho gorizontalne perenesennya geniv staye nemozhlivim Okrim togo alternativni biohimichni sistemi takozh dozvolyayut stvoryuvati novih sintetichnih auksotrofiv organizmi nezdatni sintezuvati pevni organichni spoluki neobhidni dlya vlasnogo rostu Cil yih stvorennya polyagaye v tomu shob skonstruyuvati ortogonalnu biologichnu sistemu nesumisnu z prirodnimi genetichnimi sistemami Naukovij pidhidCillyu ksenobiologiyi ye proyektuvannya i stvorennya biologichnih sistem yaki vidriznyayutsya vid svoyih prirodnih analogiv na odnomu abo dekilkoh osnovnih rivnyah V ideali ci novi organizmi budut vidriznyatisya u kozhnomu mozhlivomu biohimichnomu aspekti vidbivayuchi takim chinom inshij genetichnij kod Dovgostrokova cil polyagaye u stvorenni klitini yaka bude zberigati svoyu genetichnu informaciyu ne v DNK ale v alternativnomu informacijnomu polimeri yakij skladayetsya z KsNK inshih par osnov z vikoristannyam nekanonichnih aminokislot ta zminenogo genetichnogo kodu Na danij moment stvoreno klitini yaki vklyuchayut lishe odnu abo dvi z cih funkcij Ksenonukleyinovi kisloti KsNK Spochatku doslidzhennya alternativnih form DNK bulo obumovleno pitannyam pro te yak rozvivalosya zhittya na zemli i chomu RNK ta DNK buli vidibrani v procesi himichnoyi evolyuciyi na vidminu vid inshih mozhlivih struktur nukleyinovih kislot Sistematichni eksperimentalni doslidzhennya spryamovani na diversifikaciyu himichnoyi strukturi nukleyinovih kislot prizveli do stvorennya absolyutno novih informacijnih biopolimeriv Na danij moment sintezirovanij ryad KsNK na bazi novih himichnih osnov chi motiviv DNK napriklad geksozonukleyinova kislota GNK treozonukleyinova kislota TNK glikolnukleyinova kislota GlNK ciklogeksenilnukleyinova kislota CNK Vklyuchennya KsNA v plazmidi z vikoristannyam troh kodoniv GNK vidbulosya u 2003 roci Cya KsNK vikoristovuyetsya in vivo E coli yak matricya dlya sintezu DNK V ce doslidzhennya yake vikoristovuvalo podvijnu G T genetichnu kasetu i dvi osnovi yaki ne vhodyat do skladu DNK Hs U bulo vklyucheno takozh CNK GlNK na danij moment ye zanadto chuzhoridnoyu dlya prirodnoyi biologichnoyi sistemi shob buti shablonom dlya sintezu DNK Rozshireni osnovi yaki vikoristovuyut prirodnij karkas DNK mozhut takozh buti transliterovani v prirodnu DNK hocha i v bilsh obmezhnomu stupeni Rozshirenij genetichnij alfavit V toj chas yak riznomanitni KsNK mayut modifikovani karkasi inshi eksperimenti nacileni na zaminu chi rozshirennya genetichnogo alfavitu DNK z vikoristannyam neprirodnih par osnov Napriklad bula rozroblena DNK yaka zamist chotiroh standartnih osnov A T G i C maye shist osnov A T G C i dvi novi P i Z de Z oznachaye 6 amino 5 nitro3 l Pd 2 deoksiribofuranozil 2 1N piridon a P oznachaye 2 amino 8 1 beta D 2 deoksiribofuranozil imidazo 1 2 a 1 3 5 triazin 4 8N Lekont ta in perevirili stijkist 60 osnov kandidativ otrimavshi blizko 3600 par osnov dlya mozhlivogo vklyuchennya do DNK Novi polimerazi Ani KsNK ani neprirodni osnovi ne rozpiznayutsya prirodnimi polimerazami Odniyeyu z osnovnih problem ye znahodzhennya chi stvorennya novih tipiv polimeraz yaki budut v zmozi kopiyuvati ci novi konstrukciyi V odnomu vipadku bulo viyavleno sho modifikovanij variant VIL zvorotnoyi transkriptazi zdaten do PCR amplifikaciyi oligonukleotida yakij mistit paru osnov tretogo tipu Pinyero ta in 2012 prodemonstruvali sho metod polimeraznoyi evolyuciyi i dizajna spriyav zberezhennyu i vidnovlennyu genetichnoyi informaciyi menshe nizh 100 par osnov dovzhinoyu vid shesti alternativnih genetichnih polimeriv osnovanih na prostih nukleyinovih kislotah yaki ne zustrichayutsya v prirodi Rozrobka genetichnogo kodu Odniyeyu z cilej ksenobiologiyi ye perepisati universalnij genetichnij kod Najbilsh perspektivnim pidhodom dlya zmini kodu ye perenaznachennya kodoniv yaki ridko vikoristovuyutsya chi ne vikoristovuyutsya vzagali V idealnomu vipadku genetichnij kod zbilshuyetsya na odin kodon takim chinom zvilnyayuchis vid svoyeyi poperednoyi funkciyi i pereklyuchayuchis na koduvannya nekanonichnoyi aminokisloti nkAK rozshirennya kodu Oskilki ci metodi skladni v realizaciyi isnuye mozhlivist vikoristannya bilsh korotkih shlyahiv rozrobka kodu napriklad u auksotrofnih shodo specifichnoyi aminokisloti bakterij yaki v eksperimenti otrimuyut izostrukturni analogi zamist kanonichnih aminokislot V cij situaciyi kanonichni aminokislotni zalishki v nativnih bilkah zamishuyutsya na nkAK Mozhlive takozh vvedennya dekilkoh riznih nkAK v odin i toj zhe bilok Nareshti nabir z 20 kanonichnih aminokislot mozhe buti ne tilki rozshirenij ale takozh i zmenshenij do 19 Specifichnist kodonu mozhe buti zminena za dopomogoyu perenaznachennya pari transportna RNK tRNK aminoacil tRNK sintetaza Klitini yaki mistyat taki aminoacil tRNK sintetazi takim chinom zdatni prochitati poslidovnosti mRNK nechitabelni dlya isnuyuchoyi sistemi gennoyi ekspresiyi Zmina kodonu pari tRNK sintetazi mozhut spriyati vklyuchennyu v bilki nekanonichnih aminokislot in vivo V minulomu perenaznachennya kodonu v osnovnomu vidbuvalosya v obmezhenomu masshtabi Odnak u 2013 roci Farren Ajzeks i Dzhordzh Cherch z Garvardskogo universitetu povidomili pro zaminu vsih 314 TAG stop kodoniv genomu E coli na sinonimichni kodoni TAA tim samim prodemonstruvavshi sho masovi zamini mozhut buti provedeni v shtamah visshogo poryadku zi zberezhennyam zhittyezdatnosti shtamu Pislya uspihu ciyeyi zamini kodoniv avtori prodovzhili robotu i pereprogramuvali 13 kodoniv po vsomu genomu yaki bezposeredno torkayutsya 42 osnovnih geniv She bilsh radikalnimi zminami v genetichnomu kodi ye zmini tripletnogo kodonu na kvadripletnij i navit pentapletnij kodoni yaki buli provedeni Sisido v bezklitinnih sistemah i Shulcem v bakterialnih klitinah Nareshti neprirodni pari osnov mozhut buti vikoristani dlya vvedennya v bilki novoyi aminokisloti Napravlena evolyuciya Zamina DNK na KsNK mozhe buti takozh vikonana inshim shlyahom a same shlyahom zmini navkolishnogo seredovisha zamist genetichnih moduliv Cej pidhid uspishno prodemonstruvali Marlyer i Myutcel voni stvorili shtam E coli DNK yakogo skladayetsya zi standartnih A C i G nukleotidiv ale takozh maye sintetichnij analog timinu 5 hloruracil u vidpovidnih miscyah DNK poslidovnosti Rist cih klitin v podalshomu zalezhit vid 5 hloruracilu yakij nadhodit zzovni ale v inshomu voni viglyadayut i povodyat sebe yak zvichajnij shtam E coli Cej pidhid takim chinom vstanovlyuye dva bar yeri dlya bud yakoyi vzayemodiyi z inshimi bakteriyami oskilki shtam ye auksotrofnim dlya neprirodnoyi himichnoyi spoluki i mistit formu DNK yaka ne mozhe buti rozshifrovana inshimi organizmami BiobezpekaKsenobiologichni sistemi priznacheni dlya nadannya ortogonalnosti prirodnim biologichnim sistemam Gipotetichnij organizm yakij mistit KsNK inshi pari osnov i polimerazi ta maye zminenij genetichnij kod navryad chi bude v zmozi vzayemodiyati z prirodnimi formami zhittya na genetichnomu rivni Takim chinom ci ksenobiologichni organizmi yavlyayut soboyu genetichnij anklav yakij ne mozhe obminyuvatisya informaciyeyu z prirodnimi klitinami Zmina genetichnogo aparatu klitin prizvodit do semantichnogo strimuvannya Po analogiyi z obrobkoyu informaciyi v IT cya koncepciya bezpeki nazivayetsya genetichnij brandmauer Koncepciya genetichnogo brandmauera mozhe podolati nizku obmezhen poperednih sistem bezpeki Pershi eksperimentalni dokazi ciyeyi teoretichnoyi koncepciyi buli otrimani v 2013 roci zi stvorennyam genomno perekodovanogo organizmu GPO V comu organizmi vsi vidomi UAG stop kodoni v E coli buli zamineni na UAA kodoni sho dozvolilo perenaznachiti funkciyu translyaciyi kodonu UAG GPO prodemonstruvav pidvishenu stijkist do bakteriofaga T7 pokazuyuchi takim chinom sho alternativni genetichni kodi dijsno zmenshuyut genetichnu sumisnist Cej GPO odnak tak samo duzhe shozhij na svogo prirodnogo poperednika i ne mozhe rozglyadatisya yak genetichnij brandmauer Mozhlivist perenaznachennya funkcij velikoyi kilkosti tripletiv robit mozhlivim rozrobku shtamiv yaki poyednuyut KsNK novi pari osnov novi genetichni kodi i t i ta yaki ne mozhut obminyuvatisya zhodnoyu informaciyeyu z prirodnim biologichnim otochennyam V toj chas yak genetichnij brandmauer mozhe realizuvati semantichni mehanizmi strimuvannya v novih organizmah novi biohimichni sistemi tak samo povinni buti doslidzheni po vidnoshennyu do novih toksiniv i ksenobiotikiv Upravlinnya i regulyatorni pitannyaKsenobiologiya mozhe buti skladnim pitannyam dlya normativno pravovoyi bazi oskilki na danij moment zakoni i direktivi regulyuyut pitannya pro genetichno modifikovani organizmi ale bezposeredno ne zgaduyut himichno chi genomno modifikovani organizmi Beruchi do uvagi sho v realnosti ksenobiologichni organizmi v najblizhchi roki ne ochikuyutsya zakonodavstvo maye deyakij chas dlya pidgotovki do majbutnih zmin na rivni upravlinnya Pochinayuchi z 2012 roku politichni radniki v SShA chotiri nacionalnih komiteti z biobezpeki v Yevropi i Yevropejska organizaciya molekulyarnoyi biologiyi vidmitili danu temu yak majbutnyu problemu upravlinnya PosilannyaPinheiro 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 Bain J D Switzer C Chamberlin R amp 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 Noren 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 Schmidt M Xenobiology a new form of life as the ultimate biosafety tool 27 bereznya 2021 u Wayback Machine Bioessays Vol 32 4 322 331 Pace NR 2001 The universal nature of biochemistry Proc Natl Acad Sci USA 98 805 8 Wiltschi B and N Budisa Natural history and experimental evolution of the genetic code Applied Microbiology and Biotechnology 2007 74 p 739 753 Herdewijn P Marliere P Toward safe genetically modified organisms through the chemical diversification of nucleic acids Chem Biodivers 2009 Jun 6 6 791 808 Eschenmoser A 1999 Chemical etiology of nucleic acid structure Science 284 2118 2124 Vastmans K Froeyen M Kerremans L et al 2001 Reverse transcriptase incorporation of 1 5 anhydrohexitol nucleotides Nucleic Acids Res 29 3154 63 42 Jang M et al 2013 A synthetic substrate of DNA polymerase deviating from the bases sugar and leaving group of canonical deoxynucleoside triphosphates Chemistry amp Biology 20 3 art nr 10 1016 j chembiol 2013 02 010 416 23 Pinheiro 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 Pinheiro V B Loakes D and Holliger P 2013 Synthetic polymers and their potential as genetic materials Bioessays 35 113 Ichida JK Horhota A Zou K et al 2005 High fidelity TNA synthesis by Therminator polymerase Nucleic Acids Res 33 5219 25 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 Pochet 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 Pezo V et al 2012 Binary Genetic Cassettes for Selecting XNA Templated DNA Synthesis In Vivo 27 bereznya 2021 u Wayback Machine Angew Chem 52 8139 8143 Krueger AT et al 2011 Encoding Phenotype in Bacteria with an Alternative Genetic Set 27 bereznya 2021 u Wayback Machine J Am Chem Soc 133 45 18447 18451 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 32 728 735 Yang 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 6101 Yang 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 Leconte 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 Sismour 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 5646 Havemann 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 Pinheiro VB et al 2012 Synthetic genetic polymers capable of heredity and evolution Science 336 341 344 Budisa 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 Hoesl M G Budisa N 2012 Recent advances in genetic code engineering in Escherichia coli Curr Opin Biotechnol 23 751 757 Pezo V Guerineau V Le Caer J P Faillon L Mutzel R amp Marliere P 2013 A metabolic prototype for eliminating tryptophan from the genetic copde Scientific Reports 3 1359 Rackham O and Chin J W 2005 A network of orthogonal ribosome mRNA pairs Nat Chem Biol 1 159 166 Wang L Brock A Herberich B and Schultz P G 2001 Expanding the genetic code of Escherichia coli Science 292 498 500 Hartman M C Josephson K Lin C W and Szostak J W 2007 An expanded set of amino acid analogs for the ribosomal translation of unnatural peptides PLoS ONE 2 e972 Isaacs FJ et al 2013 Precise manipulation of chromosomes in vivo enables genome wide codon replacement Science 2011 333 6040 348 53 Lajoie MJ Kosuri S Mosberg JA Gregg CJ Zhang D Church GM 2013 Probing the Limits of Genetic Recoding in Essential Genes Science 342 6156 361 3 Hohsaka T Sisido M 2002 Incorporation of non natural amino acids into proteins Curr Opin Chem Biol 6 809 815 Anderson J C Wu N Santoro S W Lakshman V King D S and Schultz P G 2004 An expanded genetic code with a functional quadruplet codon Proc Natl Acad Sci USA 101 7566 7571 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 An unnatural base pair for incorporating amino acid analogs into proteins Nat Biotechnol 20 177 182 Marliere P et al 2011 Chemical Evolution of a Bacterium s Genome Angewandte Chemie Int Ed 50 31 7109 7114 Herdewijn P and Marliere P 2009 Toward safe genetically modified organisms through the chemical diversification of nucleic acids Chem Biodivers 6 791 808 Marliere P 2009 The farther the safer a manifesto for securely navigating synthetic species away from the old living world 21 lyutogo 2021 u Wayback Machine Syst Synth Biol 3 77 84 Acevedo Rocha CG Budisa N 2011 On the Road towards Chemically Modified Organisms Endowed with a Genetic Firewall Angewandte Chemie International Edition 50 31 6960 6962 Moe Behrens GH Davis R Haynes KA 2013 Preparing synthetic biology for the world 27 bereznya 2021 u Wayback Machine Front Microbiol 2013 4 5 Wright O Stan GB Ellis T 2013 Building in biosafety for synthetic biology nedostupne posilannya z kvitnya 2019 Microbiology 159 7 1221 35 Lajoie MJ et al Genomically Recoded Organisms Expand Biological Functions Science 2013 342 6156 357 60 Schmidt M Pei L 2011 Synthetic Toxicology Where engineering meets biology and toxicology 27 bereznya 2021 u Wayback Machine Toxicological Sciences 120 S1 S204 S224 Schmidt M 2013 Safeguarding the Genetic Firewall with Xenobiology In ISGP 2013 21st Century Borders Synthetic Biology Focus on Responsibility and Governance ISGP 2013 21st Century Borders Synthetic Biology Focus on Responsibility and Governance 2 grudnya 2013 u Wayback Machine p 55 65 Pauwels K et al 2013 Event report SynBio Workshop Paris 2012 Risk assessment challenges of Synthetic Biology Journal fur Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit DOI 10 1007 s00003 013 0829 9 Garfinkel M 2013 Biological containment of synthetic microorganisms science and policy 3 kvitnya 2021 u Wayback Machine Report on a ESF LESC Strategic Workshop

Дата публікації:
Топ