Xenobiologie (XB) is een deelgebied van de synthetische biologie. In de synthetische biologie worden biologische onderdelen en systemen gesynthetiseerd en gemanipuleerd. Xenobiologie is afgeleid van de term xenos (Oudgrieks) en betekent "vreemdeling, gast". Dus XB beschrijft een vorm van biologie die (nog) weinig gekend is in de wetenschap en niet in de natuur voorkomt. In de praktijk betekent dit het ontwerpen van nieuwe biochemische en biologische systemen die verschillen van de klassieke DNA-RNA-20 proteïnen wereld (zie het klassieke centraal dogma van de moleculaire biologie). Bijvoorbeeld, in plaats van DNA of RNA, verkent XB nucleïnezuuranalogen, aangeduid als Xeno Nucleic Acid (XNA) als informatiedragers., , 2012. The XNA world: Progress towards replication and evolution of synthetic genetic polymers. Curr Opin Chem Biol. 16, 245-252 Het richt zich ook op een uitbreiding van de genetische code, , , (1992). Ribosome-mediated incorporation of a non-standard amino acid into a peptide through expansion of the genetic code, Nature 356, 537–539 en het invoeren van niet-proteïnogene aminozuren in proteïnen., , , (1989). A general method for site-specific incorporation of unnatural amino acids into proteins. Science 44, 82-88
Verschil tussen xeno-, exo- en astro- Astro betekent ster en exo betekent buiten. Zowel exo- en astrobiologie hebben betrekking op het zoeken naar natuurlijk geëvolueerd leven in het heelal, meestal op andere planeten in het Goudlokjegebied (Engels: Goldilocks zone). Waar astrobiologen zich bezighouden met de detectie en analyse van (hypothetisch) bestaand leven elders in het heelal, probeert xenobiologie vormen van nieuw leven op aarde te ontwerpen met een verschillende biochemie of een verschillende genetische code. (2010) Xenobiology: a new form of life as the ultimate biosafety tool, Bioessays 32, 322-331
Doelstellingen van xenobiologie Xenobiologie heeft het potentieel om fundamentele kennis over biologie en de oorsprong van het leven te onthullen. Om beter de oorsprong van het leven te begrijpen, is het belangrijk te weten waarom het leven schijnbaar geëvolueerd is via een vroege RNA wereld naar het DNA-RNA-eiwit-systeem en zijn universele genetische code. (2001) The universal nature of biochemistry. Proc Natl Acad Sci U S A. 98, 805-808 Was het een evolutionair "ongeval" (frozen accident) of waren er beperkingen die andere vormen van chemie uitsloten? Door het testen van alternatieve, biochemische "primordiale soepen" wordt verwacht tot betere inzichten te komen in de principes die aanleiding gaven tot het leven zoals wij dat kennen. Xenobiologie houdt ook de mogelijkheid in om industriële productiesystemen te ontwikkelen door middel van een gewijzigde biopolymeertechniek met resistentie tegen pathogenen. De genetische code codeert in alle organismen voor de 20 canonieke (natuurlijk voorkomende) aminozuren die worden gebruikt voor eiwit biosynthese. In zeldzame gevallen kunnen speciale aminozuren zoals selenocysteïne, pyrrolysine of selenomethionine door het translationeel apparaat worden ingebouwd in eiwitten van sommige organismen., (2007) Natural history and experimental evolution of the genetic code. Applied Microbiol. Biotechnol. 74, 739-753 Door het gebruik van gewijzigde aminozuren behorende tot de groep van aminozuren, bekend in biochemie, kunnen de eigenschappen van eiwitten veranderd worden, zodat deze kunnen leiden tot efficiëntere katalytische functies en betere materialen. Het, door de EG gefinancierde project Metacodezie hier voor een hyperlink naar Metacode richt zich op het gebruik van metathese reacties (een nuttige katalytische functie, die tot dusver niet bekend is in levende organismen) in bacteriële cellen. Een andere reden waarom XB productieprocessen zou kunnen verbeteren, ligt in de mogelijkheid om het risico op besmetting door virussen of bacteriofagen in teelten te verminderen, aangezien XB-cellen hiervoor niet langer geschikte gastheercellen zijn, en hierdoor resistenter zijn (deze benadering wordt semantische isolatie genoemd). Xenobiologie biedt de mogelijkheid om een 'genetische veiligheidsbarrière (firewall)' te ontwerpen, een nieuw biologisch isolatiesysteem, dat de huidige bio-insluiting benaderingen kunnen versterken en diversifiëren. Bij traditionele, genetische manipulatie en biotechnologie [horizontale genoverdracht] is er bezorgdheid om het milieu en de mogelijke risico's voor de gezondheid. Een belangrijk idee in XB is om alternatieve genetische codes en biochemie te ontwerpen zodat horizontale genoverdracht niet meer mogelijk is. Alternatieve biochemie maakt het ook mogelijk om nieuwe synthetische auxotrofieën te ontwerpen. Het idee is om een orthogonaal biologisch systeem te creëren dat verenigbaar is met natuurlijke genetische systemen, doordat het dit laatste niet kan contamineren., (2009) Toward safe genetically modified organisms through the chemical diversification of nucleic acids. Chem Biodivers. 6, 791-808
Wetenschappelijke benadering Xenobiologie heeft tot doel om biologische systemen te ontwerpen, die verschillen van hun natuurlijke tegenhangers op een of meerdere fundamentele niveaus. Idealiter zouden deze nieuwe natuurgetrouwe organismen verschillen van het natuurlijk systeem in elke mogelijke biochemische eigenschap en een heel andere genetische code vertonen. Het doel op lange termijn is om een cel te ontwerpen die haar genetische informatie niet in DNA zou opslaan, maar in een alternatief polymeer dat informatie kan bevatten en bestaat uit xeno-nucleïnezuren (XNA), verschillende basenparen, met niet-canonieke aminozuren en een veranderde genetische code. Tot dusver werden cellen geconstrueerd die slechts een of twee van deze eigenschappen vertonen.
Xeno-nucleïnezuren (XNA) Oorspronkelijk werd dit onderzoek naar alternatieve vormen van DNA gedreven door de vraag hoe het leven op aarde evolueerde en waarom RNA en DNA werden geselecteerd door (chemische) evolutie ten opzichte van andere mogelijke nucleïnezuurstructuren. (1999) Chemical etiology of nucleic acid structure. Science 284, 2118–2124 Systematische experimentele studies gericht op de diversificatie van de chemische structuur van nucleïnezuren hebben geleid tot geheel nieuwe informatieve biopolymeren. Tot dusver werden een aantal XNAs met nieuwe chemische ruggengraten en afwijkende motieven van het DNA gesynthetiseerd,, (Eds) (2012) Chemistry and Biology of Artificial Nucleic Acids. Wiley-VCH Verlag GmbH, , , , , (2013). A synthetic substrate of DNA polymerase deviating from the bases, sugar, and leaving group of canonical deoxynucleoside triphosphates. Chem. Biol. 20, 416-423, , (2012) The XNA world: Progress towards replication and evolution of synthetic genetic polymers. Curr Opin Chem Biol. 16, 245-252, , (2013) Synthetic polymers and their potential as genetic materials. Bioessays, 35, 113-122 bv : hexose nucleïnezuur (HNA); threose nucleïnezuur (TNA),, , , , (2005). High fidelity TNA synthesis by Therminator polymerase. Nucleic Acids Res. 33, 5219-5225 glycol nucleïnezuur (GNA); cyclohexenyl nucleïnezuur (CeNA)., , , (2005). Investigation of the DNA-dependent cyclohexenyl nucleic acid polymerization and the cyclohexenyl nucleic acid-dependent DNA polymerization. Nucleic Acids Res. 33, 3828-3836 Het inbouwen van XNA in een plasmide, waarbij 3 HNA codons zijn betrokken, werd al bestudeerd in 2003., , , , (2003). Replication of hexitol oligonucleotides as a prelude to the propagation of a third type of nucleic acid in vivo. C.R. Biologies 326, 1175-1184 Deze XNA wordt in vivo (E.coli) gebruikt als templaat voor DNA-synthese. Deze studie, gebruikmakend van een binaire (G/T) genetische cassette en twee niet-DNA basen (Hx/U), werd uitgebreid tot CeNA, terwijl GNA op dit ogenblik té vreemd lijkt te zijn voor het natuurlijk biologisch systeem om te worden gebruikt als templaat voor DNA synthese “in vivo”., , , , , (2012). Genetic Cassettes for Selecting XNA-Templated DNA Synthesis In Vivo. Angew Chem. Int. Ed. Engl. 52, 8139-8143 Verlengde basen, die gebruikmaken van een natuurlijke DNA skelet, kunnen evenzo worden overgeschreven in natuurlijk DNA, zij het in een meer beperkte mate., , , , (2011). Encoding Phenotype in Bacteria with an Alternative Genetic Set. J. Am. Chem. Soc. 133, 18447-18451
Uitbreiding van het genetische alfabet Terwijl XNA's gewijzigde ruggengraten hebben, zijn andere experimenten gericht op de vervanging of uitbreiding van het genetische alfabet van het DNA met onnatuurlijke basenparen. Er werd, bijvoorbeeld DNA ontworpen dat in plaats van de vier standaard basen A, T, G en C, zes basen A, T, G, C, en de twee nieuwe P en Z bevatten (waarin Z staat voor 6-amino-5-nitro3-(1’-β-D-2'-deoxyribofuranosyl)-2(1H)-pyridon, en P staat voor 2-amino-8-(1-β-D-2'-deoxyribofuranosyl)imidazo[1,2-a]-1,3,5-triazine-4(8H)., , , , , , (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, , , , (2006) Artificially expanded genetic information system: a new base pair with an alternative hydrogen bonding pattern. Nucleic Acids Res. 34, 6095-6101, , , , (2007) Enzymatic incorporation of a third nucleobase pair. Nucleic Acids Res. 35, 4238-4249 Leconte en anderen hebben een systematische studie uitgevoerd om 60 verschillende basen (dit geeft potentieel 3600 basenparen) uit te testen als mogelijke informatiedragers in DNA., , , , , (2008) Discovery, characterization, and optimization of an unnatural base pair for expansion of the genetic alphabet. J. Am. Chem. Soc. 130, 2336-2343
Nieuwe polymerasen Noch XNA noch de niet-natuurlijke basen worden herkend door natuurlijke polymerases. Een van de belangrijkste uitdagingen is om nieuwe types polymerasen te vinden of te ontwikkelen, die in staat zijn om deze nieuwe informatiesystemen te repliceren. Zo werd een gewijzigde variant van de hiv-reverse transcriptase gevonden dat in staat was om een oligonucleotide, dat een nieuw type basenpaar bevat, via PCR te vermenigvuldigen., (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, , , (2008) Incorporation of multiple sequential pseudothymidines by DNA polymerases and their impact on DNA duplex structure. Nucleosides Nucleotides Nucleic Acids 27, 261-278 Pinheiro en medewerkers (2012) hebben aangetoond dat het mogelijk is om polymerase te ontwikkelen die met succes XNA’s (met een lengte van minder dan 100 eenheden) kunnen aanmaken, waarin genetische informatie ligt opgebaard en waarbij de informatie ook kan worden afgelezen. Hiervoor werden zes verschillende XNA’s gebruikt, bestaande uit bouwstenen die niet in de natuur voorkomen., , , , , , , , , , , (2012) Synthetic genetic polymers capable of heredity and evolution. Science 336, 341-344
Engineering in de genetische code Een van de doelstellingen van xenobiologie is om de universele genetische code te herschrijven. De meest veelbelovende benadering om de code te wijzigen is het opnieuw toewijzen van zelden gebruikte of zelfs ongebruikte codons. (2005). Engineering the Genetic Code-Expanding the Amino Acid Repertoire for the Design of Novel Proteins, WILEY-VHC Weinheim, New York, Brisbane, Singapore, Toronto