Ксенонуклеиновые кислоты ( XNA ) - это синтетические аналоги нуклеиновых кислот, которые имеют сахарный остов, отличный от природных нуклеиновых кислот ДНК и РНК . [1] По состоянию на 2011 год было показано, что по крайней мере шесть типов синтетических сахаров образуют основы нуклеиновых кислот, которые могут хранить и извлекать генетическую информацию. В настоящее время проводятся исследования по созданию синтетических полимераз для трансформации XNA. Изучение его получения и применения создало область, известную как ксенобиология .
Хотя генетическая информация по-прежнему хранится в четырех канонических парах оснований (в отличие от других аналогов нуклеиновых кислот ), природные ДНК-полимеразы не могут считывать и дублировать эту информацию. Таким образом, генетическая информация, хранящаяся в XNA, «невидима» и, следовательно, бесполезна для естественных организмов на основе ДНК. [2]
Задний план
Структура ДНК была открыта в 1953 году. Примерно в начале 2000-х исследователи создали ряд экзотических ДНК-подобных структур, XNA. XNA - это синтетический полимер, который может нести ту же информацию, что и ДНК, но с другими молекулярными составляющими. «X» в XNA означает «xeno», что означает «незнакомец» или «чужой», что указывает на разницу в молекулярной структуре по сравнению с ДНК или РНК. [3]
Немногое было сделано с XNA до разработки специального фермента полимеразы , способного копировать XNA из матрицы ДНК, а также копировать XNA обратно в ДНК. [3] Pinheiro et al. (2012), например, продемонстрировали такую XNA-способную полимеразу, которая работает с последовательностями длиной ~ 100 п.н. [4] Совсем недавно биологам-синтетикам Филиппу Холлигеру и Александру Тейлору из Кембриджского университета удалось создать XNAzymes, XNA-эквивалент рибозима , ферменты на основе ДНК или рибонуклеиновой кислоты. Это демонстрирует, что XNAs не только хранят наследственную информацию, но также могут служить ферментами, повышая вероятность того, что жизнь где-то еще могла начаться с чего-то другого, кроме РНК или ДНК. [5]
Состав
Нити ДНК и РНК образуются путем соединения длинных цепочек молекул, называемых нуклеотидами . Нуклеотид состоит из трех химических компонентов: фосфат , сахар группа пять-углерода (это может быть либо дезоксирибоза сахара , который дает нам «D» в ДНК-или рибозы сахара-на «R» в РНК) и одно из пяти стандартных оснований ( аденин , гуанин , цитозин , тимин или урацил ).
Молекулы, кусок вместе , чтобы сформировать шесть Xeno нуклеиновые кислоты практически идентичны таковым из ДНК и РНК, но с одним исключением: в XNA нуклеотидов , то дезоксирибоза и рибоза сахарные группы ДНК и РНК были заменены другими химическими структурами. Эти замены делают XNA функционально и структурно аналогичными ДНК и РНК, несмотря на то, что они неестественны и искусственны.
XNA демонстрирует множество структурных химических изменений по сравнению с его естественными аналогами. К настоящему времени созданы следующие типы синтетической XNA: [2]
- 1,5-ангидрогекситол нуклеиновая кислота (HNA)
- Циклогексеновая нуклеиновая кислота (CeNA)
- Нуклеиновая кислота треозы ( TNA )
- Гликолевая нуклеиновая кислота ( GNA )
- Заблокированная нуклеиновая кислота ( LNA )
- Пептидная нуклеиновая кислота ( ПНК )
- FANA ( фтороарабиновая нуклеиновая кислота )
HNA может потенциально действовать как лекарство, которое может распознавать и связываться с определенными последовательностями. Ученым удалось выделить HNA для возможного связывания последовательностей, нацеленных на ВИЧ. [6] Что касается циклогексеновой нуклеиновой кислоты, исследования показали, что CeNA со стереохимией, сходной со стереохимией D-формы, могут создавать стабильные дуплексы между собой и с РНК. Было показано, что CeNA не так стабильны, когда они образуют дуплексы с ДНК. [7]
Подразумеваемое
Изучение XNA не предназначено для того, чтобы дать ученым лучшее понимание биологической эволюции, как это происходило исторически, а скорее для изучения способов, которыми мы можем контролировать и даже перепрограммировать генетический состав биологических организмов, движущихся вперед. XNA показал значительный потенциал в решении текущей проблемы генетического загрязнения в генетически модифицированных организмах . [8] Хотя ДНК невероятно эффективна в своей способности хранить генетическую информацию и обеспечивать сложное биологическое разнообразие, ее четырехбуквенный генетический алфавит относительно ограничен. Использование генетического кода из шести XNA вместо четырех встречающихся в природе нуклеотидных оснований ДНК дает бесконечные возможности для генетической модификации и расширения химической функциональности. [9]
Развитие различных гипотез и теорий о XNAs изменило ключевой фактор в нашем нынешнем понимании нуклеиновых кислот: наследственность и эволюция не ограничиваются ДНК и РНК, как когда-то считалось, а просто процессами, которые развились из полимеров, способных хранить информацию. . [10] Исследования XNAs позволят исследователям оценить, являются ли ДНК и РНК наиболее эффективными и желательными строительными блоками жизни, или эти две молекулы были выбраны случайным образом после эволюции из более крупного класса химических предков. [11]
Приложения
Одна из теорий использования XNA - его внедрение в медицину в качестве средства борьбы с болезнями. Некоторые ферменты и антитела , которые в настоящее время используются для лечения различных заболеваний, слишком быстро разрушаются в желудке или кровотоке. Поскольку XNA является чужеродной и поскольку считается, что люди еще не развили ферменты для их расщепления, XNA могут служить более надежным аналогом методологий лечения на основе ДНК и РНК, которые используются в настоящее время. [12]
Эксперименты с XNA уже позволили заменить и расширить этот генетический алфавит, а XNA показали комплементарность нуклеотидам ДНК и РНК, предполагая возможность их транскрипции и рекомбинации. Один эксперимент, проведенный в Университете Флориды, привел к производству аптамера XNA методом AEGIS-SELEX (искусственно расширенная генетическая информационная система - систематическая эволюция лигандов путем экспоненциального обогащения) с последующим успешным связыванием с линией клеток рака груди . [13] Кроме того, эксперименты на модельной бактерии E. coli продемонстрировали способность XNA служить биологической матрицей для ДНК in vivo . [14]
При продвижении генетических исследований XNA необходимо учитывать различные вопросы, касающиеся биобезопасности , биозащищенности , этики и управления / регулирования. [2] Один из ключевых вопросов здесь заключается в том, будет ли XNA в условиях in vivo смешиваться с ДНК и РНК в своей естественной среде, тем самым делая ученых неспособными контролировать или предсказывать ее влияние на генетические мутации . [12]
XNA также имеет потенциальные применения в качестве катализаторов , так же как РНК может использоваться в качестве фермента . Исследователи показали, что XNA способна расщеплять и лигировать ДНК, РНК и другие последовательности XNA, причем наибольшей активностью являются реакции, катализируемые XNA, на молекулах XNA. Это исследование может быть использовано для определения того, возникла ли роль ДНК и РНК в жизни в результате процессов естественного отбора или это было просто совпадением. [15]
Смотрите также
- Аналог нуклеиновой кислоты
- Ксенобиология
Рекомендации
- Перейти ↑ Schmidt M (2012). Синтетическая биология . Джон Вили и сыновья. С. 151–. ISBN 978-3-527-65926-5. Дата обращения 9 мая 2013 .
- ^ а б в Шмидт М (апрель 2010 г.). «Ксенобиология: новая форма жизни как высший инструмент биобезопасности» . BioEssays . 32 (4): 322–31. DOI : 10.1002 / bies.200900147 . PMC 2909387 . PMID 20217844 .
- ^ а б Гонсалес Р. (19 апреля 2012 г.). «XNA - это синтетическая ДНК, которая сильнее настоящего» . Ио9 . Проверено 15 октября 2015 года .
- ^ Пиньейро В.Б., Тейлор А.И., Козенс С., Абрамов М., Рендерс М., Чжан С., Чапут Дж. К., Венгель Дж., Пик-Чу С.Ю., Маклафлин С.Х., Хердевийн П., Холлигер П. (апрель 2012 г.). «Синтетические генетические полимеры, способные к наследственности и эволюции» . Наука . 336 (6079): 341–44. Bibcode : 2012Sci ... 336..341P . DOI : 10.1126 / science.1217622 . PMC 3362463 . PMID 22517858 .
- ^ «Первые в мире искусственные ферменты, созданные с использованием синтетической биологии» . Совет по медицинским исследованиям . 1 декабря 2014 г.
- ^ Extance A (19 апреля 2012 г.). «Полимеры совершают не-ДНК эволюцию» . Королевское химическое общество . Проверено 15 октября 2015 года .
- ^ Гу П., Шеперс Дж., Розенски Дж., Ван Аершот А., Хердевийн П. (2003). «Свойства спаривания оснований D- и L-циклогексеновых нуклеиновых кислот (CeNA)». Олигонуклеотиды . 13 (6): 479–89. DOI : 10.1089 / 154545703322860799 . PMID 15025914 .
- ^ Хердевейн П., Марлиер П. (июнь 2009 г.). «К безопасным генетически модифицированным организмам путем химической диверсификации нуклеиновых кислот». Химия и биоразнообразие . 6 (6): 791–808. DOI : 10.1002 / cbdv.200900083 . PMID 19554563 .
- ^ Пинейро В.Б., Холлигер П. (август 2012 г.). «Мир XNA: прогресс в направлении репликации и эволюции синтетических генетических полимеров». Текущее мнение в химической биологии . 16 (3–4): 245–52. DOI : 10.1016 / j.cbpa.2012.05.198 . PMID 22704981 .
- ^ Пиньейро В.Б., Тейлор А.И., Козенс С., Абрамов М., Рендерс М., Чжан С., Чапут Дж. К., Венгель Дж., Пик-Чу С.Ю., Маклафлин С.Х., Хердевийн П., Холлигер П. (апрель 2012 г.). «Синтетические генетические полимеры, способные к наследственности и эволюции» . Наука . 336 (6079): 341–44. Bibcode : 2012Sci ... 336..341P . DOI : 10.1126 / science.1217622 . PMC 3362463 . PMID 22517858 .
- ^ Хантер П. (май 2013 г.). «XNA отмечает точку. Что мы можем узнать о происхождении жизни и лечении болезней с помощью искусственных нуклеиновых кислот?» . EMBO Reports . 14 (5): 410–13. DOI : 10.1038 / embor.2013.42 . PMC 3642382 . PMID 23579343 .
- ^ а б «XNA: синтетическая ДНК, которая может развиваться» . Популярная механика . 19 апреля 2012 . Проверено 17 ноября 2015 года .
- ^ Сефах К., Ян З., Брэдли К.М., Хошика С., Хименес Э., Чжан Л., Чжу Дж., Шанкер С., Ю Ф, Турек Д., Тан В., Беннер С.А. (январь 2014 г.). «Селекция in vitro с использованием искусственных расширенных систем генетической информации» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 111 (4): 1449–54. Bibcode : 2014PNAS..111.1449S . DOI : 10.1073 / pnas.1311778111 . PMC 3910645 . PMID 24379378 .
- ^ Пезо В., Лю Ф. В., Абрамов М., Фройен М., Хердевейн П., Марлиер П. (июль 2013 г.). «Бинарные генетические кассеты для выбора синтеза ДНК в формате XNA in vivo» (PDF) . Angewandte Chemie . 52 (31): 8139–43. DOI : 10.1002 / anie.201303288 . PMID 23804524 .
- ^ Тейлор А.И., Пинейро В.Б., Смола М.Дж., Моргунов А.С., Пик-Чу С., Козенс С., Уикс К.М., Хердевийн П., Холлигер П. (февраль 2015 г.). «Катализаторы из синтетических генетических полимеров» . Природа . 518 (7539): 427–30. Bibcode : 2015Natur.518..427T . DOI : 10,1038 / природа13982 . PMC 4336857 . PMID 25470036 .