Ксено нуклеиновая кислота - Xeno nucleic acid

Гликолевая нуклеиновая кислота (оставили) является примером ксенонуклеиновой кислоты, потому что у нее другой скелет, чем у ДНК (верно).

Ксено нуклеиновые кислоты (XNA) 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 преобразования XNA. Изучение его производства и применения привело к созданию области, известной как ксенобиология.

Хотя генетическая информация по-прежнему хранится в четырех канонических парах оснований (в отличие от других аналоги нуклеиновых кислот ), природные ДНК-полимеразы не могут считывать и дублировать эту информацию. Таким образом, генетическая информация, хранящаяся в XNA, «невидима» и поэтому бесполезна для естественных организмов на основе ДНК.[2]

Фон

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 «ксено», что означает незнакомец или пришелец, что указывает на разницу в молекулярной структуре по сравнению с ДНК или РНК.[3]

Немногое было сделано с XNA до разработки специальной полимеразы. фермент, способный 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 синтетические биологи Филипп Холлигер и Александр Тейлор из Кембриджского университета сумели создать XNAzymes, XNA-эквивалент рибозим, ферменты, состоящие из ДНК или рибонуклеиновой кислоты. Это демонстрирует, что XNA не только хранят наследственную информацию, но также могут служить ферментами, что повышает вероятность того, что жизнь где-то еще могла начаться с чего-то другого, кроме РНК или ДНК.[5]

Структура

На этом изображении показаны различия в сахарных основах, используемых в XNA, по сравнению с обычными и биологически используемыми ДНК и РНК.

Нити ДНК и РНК образуются путем соединения длинных цепочек молекул, называемых нуклеотиды. А нуклеотид состоит из трех химических компонентов: фосфат, пятиуглеродная сахарная группа (это может быть дезоксирибоза сахар - что дает нам "D" в ДНК - или рибоза сахар - буква «R» в РНК) и одно из пяти стандартных оснований (аденин, гуанин, цитозин, тимин или же урацил ).

Молекулы, которые соединяются вместе, образуя шесть ксенонуклеиновых кислот, почти идентичны молекулам ДНК и РНК, за одним исключением: в XNA. нуклеотиды, 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 (PNA )
  • ФАНА (Фтор арабино нуклеиновая кислота )

HNA может потенциально действовать как лекарство, которое может распознавать и связываться с указанными 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 с D-формой, могут создавать стабильные дуплексы между собой и с РНК. Было показано, что CeNA не так стабильны, когда образуют дуплексы с ДНК.[7]

Подразумеваемое

Изучение XNA не предназначено для того, чтобы дать ученым лучшее понимание биологических эволюция как это происходило исторически, а скорее для изучения способов, которыми мы можем контролировать и даже перепрограммировать генетический состав биологических организмов, движущихся вперед. XNA продемонстрировала значительный потенциал в решении актуальной проблемы генетическое загрязнение в генетически модифицированные организмы.[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 бесконечные 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 ограничивается ДНК и РНК, как когда-то думали, 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 применяются 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 взаимодополняемость с нуклеотидами ДНК и РНК, что указывает на возможность его транскрипции и рекомбинации. Один эксперимент, проведенный в Университете Флориды, привел к созданию XNA. аптамер AEGIS-SELEX (искусственно расширенная система генетической информации - систематическая эволюция лиганды методом экспоненциального обогащения) с последующей успешной привязкой к строке рак молочной железы клетки.[13] Кроме того, эксперименты на модельной бактерии Кишечная палочка продемонстрировали способность XNA служить биологической матрицей для ДНК in vivo.[14]

При продвижении генетических исследований XNA необходимо учитывать различные вопросы, касающиеся: биобезопасность, биозащита, этика и управление / регулирование.[2] Один из ключевых вопросов здесь заключается в том, является ли XNA в in vivo окружающая среда будет смешиваться с ДНК и РНК в своей естественной среде, что лишает ученых возможности контролировать или предсказывать ее значение для генетической мутация.[12]

XNA также имеет потенциальные приложения для использования в качестве катализаторы, так же как РНК может использоваться в качестве фермент. Исследователи показали, что XNA способна расщеплять и лигировать ДНК, РНК и другие последовательности XNA, наиболее активными из которых являются катализируемые XNA реакции 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

Рекомендации

  1. ^ Шмидт М (2012). Синтетическая биология. Джон Вили и сыновья. С. 151–. ISBN  978-3-527-65926-5. Получено 9 мая 2013.
  2. ^ а б c Шмидт М (апрель 2010 г.). «Ксенобиология: новая форма жизни как высший инструмент биобезопасности». BioEssays. 32 (4): 322–31. Дои:10.1002 / bies.200900147. ЧВК  2909387. PMID  20217844.
  3. ^ а б Гонсалес Р. (19 апреля 2012 г.). «XNA - это синтетическая ДНК, которая сильнее настоящего». Io9. Получено 15 октября 2015.
  4. ^ Пиньейро В.Б., Тейлор А.И., Козенс С., Абрамов М., Рендерс М., Чжан С., Чапут Дж. К., Венгель Дж., Пик-Чу С.И., Маклафлин С.Х., Хердевийн П., Холлигер П. (апрель 2012 г.). «Синтетические генетические полимеры, способные к наследственности и эволюции». Наука. 336 (6079): 341–44. Bibcode:2012Наука ... 336..341П. Дои:10.1126 / science.1217622. ЧВК  3362463. PMID  22517858.
  5. ^ «Первые в мире искусственные ферменты, созданные с использованием синтетической биологии». Совет медицинских исследований. 1 декабря 2014 г.
  6. ^ Extance A (19 апреля 2012 г.). «Полимеры осуществляют не-ДНК эволюцию». Королевское химическое общество. Получено 15 октября 2015.
  7. ^ Гу П, Шеперс Г, Розенски Дж, Ван Аершот А, Хердевийн П (2003). «Свойства спаривания оснований D- и L-циклогексеновых нуклеиновых кислот (CeNA)». Олигонуклеотиды. 13 (6): 479–89. Дои:10.1089/154545703322860799. PMID  15025914.
  8. ^ Хердевейн П., Марлиер П. (июнь 2009 г.). «К безопасным генетически модифицированным организмам путем химической диверсификации нуклеиновых кислот». Химия и биоразнообразие. 6 (6): 791–808. Дои:10.1002 / cbdv.200900083. PMID  19554563.
  9. ^ Пинейро В.Б., Холлигер П. (август 2012 г.). «Мир XNA: прогресс в направлении репликации и эволюции синтетических генетических полимеров». Современное мнение в области химической биологии. 16 (3–4): 245–52. Дои:10.1016 / j.cbpa.2012.05.198. PMID  22704981.
  10. ^ Пиньейро В.Б., Тейлор А.И., Козенс С., Абрамов М., Рендерс М., Чжан С., Чапут Дж. К., Венгель Дж., Пик-Чу С.И., Маклафлин С.Х., Хердевийн П., Холлигер П. (апрель 2012 г.). «Синтетические генетические полимеры, способные к наследственности и эволюции». Наука. 336 (6079): 341–44. Bibcode:2012Наука ... 336..341П. Дои:10.1126 / наука.1217622. ЧВК  3362463. PMID  22517858.
  11. ^ Хантер П. (май 2013 г.). «XNA отмечает это место. Что мы можем узнать о происхождении жизни и лечении болезней с помощью искусственных нуклеиновых кислот?». EMBO отчеты. 14 (5): 410–13. Дои:10.1038 / embor.2013.42. ЧВК  3642382. PMID  23579343.
  12. ^ а б «XNA: синтетическая ДНК, которая может развиваться». Популярная механика. 19 апреля 2012 г.. Получено 17 ноября 2015.
  13. ^ 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:2014ПНАС..111.1449С. Дои:10.1073 / pnas.1311778111. ЧВК  3910645. PMID  24379378.
  14. ^ 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. Дои:10.1002 / anie.201303288. PMID  23804524.
  15. ^ 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:2015Натура.518..427Т. Дои:10.1038 / природа13982. ЧВК  4336857. PMID  25470036.