Ксенонуклеиновая кислота

Ксенонуклеиновые кислоты ( XNA ) представляют собой синтетические аналоги нуклеиновых кислот , которые имеют остов, отличный от рибозы и дезоксирибозы, обнаруженных в нуклеиновых кислотах встречающихся в природе РНК и ДНК . ^{[ 1 ]}

Одни и те же азотистые основания могут использоваться для хранения генетической информации и взаимодействия с ДНК, РНК или другими основаниями XNA, но разный остов придает структуре разную стабильность, и она не может обрабатываться естественными клеточными процессами. Например, природные ДНК-полимеразы не могут читать и дублировать эту информацию, поэтому генетическая информация, хранящаяся в XNA, невидима для организмов на основе ДНК. ^{[ 2 ]}

По состоянию на 2011 год ^[update]Было показано, что по крайней мере шесть типов синтетических сахаров образуют скелеты нуклеиновых кислот, которые могут хранить и извлекать генетическую информацию. Сейчас проводятся исследования по созданию синтетических полимераз для преобразования XNA. Изучение его производства и применения создало область, известную как ксенобиология . ^{[ нужна ссылка ]}

Фон

Структура ДНК была открыта в 1953 году. Примерно в начале 2000-х годов исследователи создали ряд экзотических ДНК-подобных структур — XNA. Это синтетические полимеры, которые могут нести ту же информацию, что и ДНК, но с другими молекулярными составляющими. «X» в XNA означает «ксено-», что означает «странный» или «чужой», что указывает на разницу в молекулярной структуре по сравнению с ДНК или РНК. ^{[ 3 ]}

С XNA было сделано немногое до тех пор, пока не был разработан специальный фермент -полимераза , способный копировать XNA с матрицы ДНК, а также копировать XNA обратно в ДНК. ^{[ 3 ]} Пиньейру и др. (2012), например, продемонстрировали такую XNA-совместимую полимеразу, которая работает с последовательностями около 100 пар оснований . длиной ^{[ 4 ]} Совсем недавно биологам-синтетикам Филиппу Холлигеру и Александру Тейлору удалось создать XNAzymes, XNA-эквивалент рибозима , ферментов, состоящих из РНК. Это демонстрирует, что XNA не только хранят наследственную информацию, но также могут служить ферментами, что повышает вероятность того, что жизнь в другом месте могла начаться с чего-то другого, чем РНК или ДНК. ^{[ 5 ]}

Структура

Нити ДНК и РНК образуются путем соединения длинных цепочек молекул, называемых нуклеотидами . Нуклеотид состоит из трех химических компонентов: фосфата , пятиуглеродной группы сахара (это может быть либо сахар дезоксирибозы , который дает нам букву «D» в ДНК, либо сахар рибозы — буква «R» в РНК). и одно из пяти стандартных оснований ( аденин , гуанин , цитозин , тимин или урацил ).

образуя ксенонуклеиновые кислоты, почти идентичны молекулам ДНК и РНК, за одним исключением: в нуклеотидах XNA дезоксирибоза Молекулы, которые соединяются вместе , и рибозные сахарные группы ДНК и РНК 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 со своими природными аналогами. Типы синтетических XNA, созданных на данный момент, включают: ^{[ 2 ]}

1,5-ангидрогекситол-нуклеиновая кислота (HNA)
Циклогексеновая нуклеиновая кислота (CeNA)
Треозонуклеиновая кислота (ТНК)
Гликолевая нуклеиновая кислота (ГНК)
Запертая нуклеиновая кислота
Пептид-нуклеиновая кислота (ПНК)
Фторарабинонуклеиновая кислота (ФАНА)

HNA потенциально может использоваться в качестве препарата, способного распознавать определенные последовательности и связываться с ними. Ученым удалось выделить HNA для возможного связывания последовательностей, нацеленных на ВИЧ. ^{[ 6 ]} Исследования также показали, что CeNA со стереохимией, подобной форме D, ^{[ нужны разъяснения ]}^{[ правая форма чего? ]} может создавать стабильные дуплексы с собой и РНК. Было показано, что CeNA не так стабильны, когда образуют дуплексы с ДНК. ^{[ 7 ]}

Подразумеваемое

Исследование XNA не предназначено для того, чтобы дать ученым лучшее понимание биологической эволюции в том виде, в каком она происходила исторически, а скорее для изучения способов, с помощью которых мы могли бы контролировать и даже перепрограммировать генетический состав биологических организмов в будущем. XNA продемонстрировала значительный потенциал в решении текущей проблемы генетического загрязнения генетически модифицированных организмов . ^{[ 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 открывает безграничные возможности для генетической модификации и расширения химической функциональности. ^{[ 9 ]}

Развитие различных гипотез и теорий о XNA изменило ключевой фактор в нашем нынешнем понимании нуклеиновых кислот: наследственность и эволюция не ограничиваются ДНК и РНК, как когда-то считалось, а представляют собой просто процессы, которые развились из полимеров, способных хранить информацию. ^{[ 4 ]} Исследования XNA позволят исследователям оценить, являются ли ДНК и РНК наиболее эффективными и желательными строительными блоками жизни, или эти две молекулы возникли случайно после эволюции из более крупного класса химических предков. ^{[ 10 ]}

Приложения

Одна из теорий использования XNA заключается в его включении в медицину в качестве средства борьбы с болезнями. Некоторые ферменты и антитела , которые в настоящее время применяются для лечения различных заболеваний, слишком быстро расщепляются в желудке или кровотоке. Поскольку XNA является чужеродным веществом и считается, что у людей еще не появились ферменты для их расщепления, XNA могут служить более надежным аналогом методологий лечения на основе ДНК и РНК, которые используются в настоящее время. ^{[ 11 ]}

Эксперименты с XNA уже позволили заменить и расширить этот генетический алфавит, а XNA продемонстрировали комплементарность нуклеотидам ДНК и РНК, что указывает на потенциальную возможность его транскрипции и рекомбинации. Один эксперимент, проведенный в Университете Флориды, привел к получению аптамера XNA методом AEGIS-SELEX (искусственно расширенная генетическая информационная система – систематическая эволюция лигандов путем экспоненциального обогащения) с последующим успешным связыванием с линией клеток рака молочной железы . ^{[ 12 ]} Кроме того, эксперименты на модельной бактерии E. coli продемонстрировали способность XNA служить биологической матрицей для ДНК in vivo . ^{[ 13 ]}

При продвижении генетических исследований XNA необходимо учитывать различные вопросы, касающиеся биобезопасности , биозащиты , 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 лишая ученых возможности контролировать или предсказывать ее последствия в генетической мутации . ^{[ 11 ]}

XNA также имеет потенциальное применение в качестве катализаторов , подобно тому, как РНК может использоваться в качестве фермента . Исследователи показали, что XNA способна расщеплять и лигировать ДНК, РНК и другие последовательности XNA, при этом наибольшая активность проявляется в реакциях, катализируемых 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 совпадение. ^{[ 14 ]}

XNA можно использовать в качестве молекулярных зажимов в количественных полимеразных цепных реакциях в реальном времени (кПЦР) путем гибридизации с целевыми последовательностями ДНК. ^{[ 15 ]} В исследовании, опубликованном в PLOS ONE , анализ молекулярного зажима, опосредованный XNA, выявил мутантную бесклеточную ДНК (вкДНК) из поражений предракового колоректального рака (КРР) и колоректального рака. ^{[ 15 ]} XNA может также действовать как высокоспецифичные молекулярные зонды для обнаружения целевой последовательности нуклеиновой кислоты. ^{[ 16 ]}

Ссылки

^ Шмидт М (2012). Синтетическая биология . Джон Уайли и сыновья. стр. 151–. ISBN 978-3-527-65926-5 . Проверено 9 мая 2013 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Шмидт М. (апрель 2010 г.). «Ксенобиология: новая форма жизни как окончательный инструмент биобезопасности» . Биоэссе . 32 (4): 322–331. doi : 10.1002/bies.200900147 . ПМК 2909387 . ПМИД 20217844 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Гонсалес Р. (19 апреля 2012 г.). «XNA — это синтетическая ДНК, которая сильнее настоящей» . Ио9 . Проверено 15 октября 2015 г. ^{[ мертвая ссылка ]}
^ Перейти обратно: ^а ^б Пинейро В.Б., Тейлор А.И., Козенс С., Абрамов М., Рендерс М., Чжан С. и др. (апрель 2012 г.). «Синтетические генетические полимеры, способные к наследственности и эволюции» . Наука . 336 (6079): 341–344. Бибкод : 2012Sci...336..341P . дои : 10.1126/science.1217622 . ПМЦ 3362463 . ПМИД 22517858 .
^ «Первые в мире искусственные ферменты, созданные с помощью синтетической биологии» . Совет медицинских исследований . 1 декабря 2014 года. Архивировано из оригинала 25 ноября 2015 года . Проверено 13 января 2016 г. {{cite web}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
^ Расширение А (19 апреля 2012 г.). «Полимеры осуществляют эволюцию, не связанную с ДНК» . Королевское химическое общество . Проверено 15 октября 2015 г.
^ Гу П., Шеперс Г., Розенски Дж., Ван Эршот А., Хердевейн П. (2003). «Свойства спаривания оснований D- и L-циклогексеновых нуклеиновых кислот (CeNA)». Олигонуклеотиды . 13 (6): 479–489. дои : 10.1089/154545703322860799 . ПМИД 15025914 .
^ Хердевейн П., Марльер П. (июнь 2009 г.). «На пути к безопасным генетически модифицированным организмам посредством химической диверсификации нуклеиновых кислот». Химия и биоразнообразие . 6 (6): 791–808. дои : 10.1002/cbdv.200900083 . ПМИД 19554563 . S2CID 8572188 .
^ Пиньейру В.Б., Холлигер П. (август 2012 г.). «Мир XNA: прогресс на пути к репликации и эволюции синтетических генетических полимеров». Современное мнение в области химической биологии . 16 (3–4): 245–252. дои : 10.1016/j.cbpa.2012.05.198 . ПМИД 22704981 .
^ Хантер П. (май 2013 г.). «XNA отмечает это место. Что мы можем узнать о происхождении жизни и лечении болезней с помощью искусственных нуклеиновых кислот?» . Отчеты ЭМБО . 14 (5): 410–413. дои : 10.1038/embor.2013.42 . ПМЦ 3642382 . ПМИД 23579343 .
^ Перейти обратно: ^а ^б «XNA: синтетическая ДНК, которая может эволюционировать» . Популярная механика . 19 апреля 2012 года . Проверено 17 ноября 2015 г.
^ Сефа К., Ян З., Брэдли К.М., Хошика С., Хименес Э., Чжан Л. и др. (январь 2014 г.). «Селекция in vitro с использованием искусственных расширенных генетических информационных систем» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 111 (4): 1449–1454. Бибкод : 2014PNAS..111.1449S . дои : 10.1073/pnas.1311778111 . ПМЦ 3910645 . ПМИД 24379378 .
^ Пезо В., Лю Ф.В., Абрамов М., Фройен М., Хердевейн П., Марльер П. (июль 2013 г.). «Бинарные генетические кассеты для выбора синтеза ДНК с использованием XNA-матрицы in vivo» . Ангеванде Хеми . 52 (31): 8139–8143. дои : 10.1002/anie.201303288 . ПМИД 23804524 .
^ Тейлор А.И., Пинейро В.Б., Смола М.Дж., Моргунов А.С., Пик-Чью С., Козенс С. и др. (февраль 2015 г.). «Катализаторы из синтетических генетических полимеров» . Природа . 518 (7539): 427–430. Бибкод : 2015Natur.518..427T . дои : 10.1038/nature13982 . ПМЦ 4336857 . ПМИД 25470036 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Сунь К., Пастор Л., Ду Дж., Пауэлл М.Дж., Чжан А., Бодмер В. и др. (5 октября 2021 г.). «Новая технология молекулярного зажима, опосредованная ксенонуклеиновой кислотой, для раннего скрининга колоректального рака» . ПЛОС ОДИН . 16 (10): e0244332. Бибкод : 2021PLoSO..1644332S . дои : 10.1371/journal.pone.0244332 . ПМК 8491914 . ПМИД 34610014 .
^ Д'Агата Р., Джуффрида М.К., Спото Дж. (ноябрь 2017 г.). «Биосенсоры на основе пептидно-нуклеиновых кислот для диагностики рака» . Молекулы . 22 (11): 1951. doi : 10,3390/molecules22111951 . ПМК 6150339 . ПМИД 29137122 .

[Schmidt2012-1] Шмидт М (2012). Синтетическая биология . Джон Уайли и сыновья. стр. 151–. ISBN 978-3-527-65926-5 . Проверено 9 мая 2013 г.

[Schmidt1-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с Шмидт М. (апрель 2010 г.). «Ксенобиология: новая форма жизни как окончательный инструмент биобезопасности» . Биоэссе . 32 (4): 322–331. doi : 10.1002/bies.200900147 . ПМК 2909387 . ПМИД 20217844 .

[:1-3] Перейти обратно: ^а ^б Гонсалес Р. (19 апреля 2012 г.). «XNA — это синтетическая ДНК, которая сильнее настоящей» . Ио9 . Проверено 15 октября 2015 г. ^{[ мертвая ссылка ]}

[Synthetic_genetic_polymers_capable-4] Перейти обратно: ^а ^б Пинейро В.Б., Тейлор А.И., Козенс С., Абрамов М., Рендерс М., Чжан С. и др. (апрель 2012 г.). «Синтетические генетические полимеры, способные к наследственности и эволюции» . Наука . 336 (6079): 341–344. Бибкод : 2012Sci...336..341P . дои : 10.1126/science.1217622 . ПМЦ 3362463 . ПМИД 22517858 .

[5] «Первые в мире искусственные ферменты, созданные с помощью синтетической биологии» . Совет медицинских исследований . 1 декабря 2014 года. Архивировано из оригинала 25 ноября 2015 года . Проверено 13 января 2016 г. {{cite web}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )

[6] Расширение А (19 апреля 2012 г.). «Полимеры осуществляют эволюцию, не связанную с ДНК» . Королевское химическое общество . Проверено 15 октября 2015 г.

[7] Гу П., Шеперс Г., Розенски Дж., Ван Эршот А., Хердевейн П. (2003). «Свойства спаривания оснований D- и L-циклогексеновых нуклеиновых кислот (CeNA)». Олигонуклеотиды . 13 (6): 479–489. дои : 10.1089/154545703322860799 . ПМИД 15025914 .

[8] Хердевейн П., Марльер П. (июнь 2009 г.). «На пути к безопасным генетически модифицированным организмам посредством химической диверсификации нуклеиновых кислот». Химия и биоразнообразие . 6 (6): 791–808. дои : 10.1002/cbdv.200900083 . ПМИД 19554563 . S2CID 8572188 .

[9] Пиньейру В.Б., Холлигер П. (август 2012 г.). «Мир XNA: прогресс на пути к репликации и эволюции синтетических генетических полимеров». Современное мнение в области химической биологии . 16 (3–4): 245–252. дои : 10.1016/j.cbpa.2012.05.198 . ПМИД 22704981 .

[10] Хантер П. (май 2013 г.). «XNA отмечает это место. Что мы можем узнать о происхождении жизни и лечении болезней с помощью искусственных нуклеиновых кислот?» . Отчеты ЭМБО . 14 (5): 410–413. дои : 10.1038/embor.2013.42 . ПМЦ 3642382 . ПМИД 23579343 .

[:0-11] Перейти обратно: ^а ^б «XNA: синтетическая ДНК, которая может эволюционировать» . Популярная механика . 19 апреля 2012 года . Проверено 17 ноября 2015 г.

[12] Сефа К., Ян З., Брэдли К.М., Хошика С., Хименес Э., Чжан Л. и др. (январь 2014 г.). «Селекция in vitro с использованием искусственных расширенных генетических информационных систем» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 111 (4): 1449–1454. Бибкод : 2014PNAS..111.1449S . дои : 10.1073/pnas.1311778111 . ПМЦ 3910645 . ПМИД 24379378 .

[13] Пезо В., Лю Ф.В., Абрамов М., Фройен М., Хердевейн П., Марльер П. (июль 2013 г.). «Бинарные генетические кассеты для выбора синтеза ДНК с использованием XNA-матрицы in vivo» . Ангеванде Хеми . 52 (31): 8139–8143. дои : 10.1002/anie.201303288 . ПМИД 23804524 .

[14] Тейлор А.И., Пинейро В.Б., Смола М.Дж., Моргунов А.С., Пик-Чью С., Козенс С. и др. (февраль 2015 г.). «Катализаторы из синтетических генетических полимеров» . Природа . 518 (7539): 427–430. Бибкод : 2015Natur.518..427T . дои : 10.1038/nature13982 . ПМЦ 4336857 . ПМИД 25470036 .

[A_novel_xenonucleic_acid-mediated_m-15] Перейти обратно: ^а ^б Сунь К., Пастор Л., Ду Дж., Пауэлл М.Дж., Чжан А., Бодмер В. и др. (5 октября 2021 г.). «Новая технология молекулярного зажима, опосредованная ксенонуклеиновой кислотой, для раннего скрининга колоректального рака» . ПЛОС ОДИН . 16 (10): e0244332. Бибкод : 2021PLoSO..1644332S . дои : 10.1371/journal.pone.0244332 . ПМК 8491914 . ПМИД 34610014 .

[16] Д'Агата Р., Джуффрида М.К., Спото Дж. (ноябрь 2017 г.). «Биосенсоры на основе пептидно-нуклеиновых кислот для диагностики рака» . Молекулы . 22 (11): 1951. doi : 10,3390/molecules22111951 . ПМК 6150339 . ПМИД 29137122 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]