Xenobiología

xenobiology ( xb ) es un subcampo de biología sintética, el estudio de sintetización y manipulación de dispositivos y sistemas biológicos. El nombre " xenobiology " deriva de la palabra griega xenos, que significa " extraño, alien ". La xenobiología es una forma de biología que no es (todavía) familiar para la ciencia y no se encuentra en la naturaleza. En la práctica, describe nuevos sistemas biológicos y bioquímicos que difieren del sistema canónico de aminoácidos ADN-ADN-ARN-20 (ver Dogma central de la biología molecular). Por ejemplo, en lugar de ADN o ARN, Xb explora los análogos de ácido nucleico, denominado ácido nucleico xeno (XNA) como portadores de información. También se centra en un código genético ampliado y la incorporación de aminoácidos no protegénicos, o "aminoácidos xeno" en proteínas.

entre xeno, exo y astro-biología

"Astro" significa "estrella" y "exo" significa "afuera". Tanto la exobiología como la astrobiología se ocupan de la búsqueda de vida evolucionada naturalmente en el Universo, principalmente en otros planetas de la zona habitable circunestelar. (Estos también se denominan ocasionalmente xenobiología). Mientras que los astrobiólogos se ocupan de la detección y el análisis de la vida en otras partes del Universo, la xenobiología intenta diseñar formas de vida con una bioquímica diferente o un código genético diferente al del planeta Tierra.

Objetivos

• La Xenobiología tiene el potencial de revelar conocimientos fundamentales sobre la biología y el origen de la vida. Para comprender mejor el origen de la vida, es necesario saber por qué la vida evolucionaba aparentemente a través de un mundo de ARN temprano al sistema de proteínas ADN-RNA y su código genético casi universal. ¿Era un "accidente" evolutivo o existían restricciones que descartaban otros tipos de química? Al probar alternativas bioquímicas "sopas primarias", se espera que comprenda mejor los principios que dieron lugar a la vida tal como lo conocemos.
• Xenobiology es un enfoque para desarrollar sistemas de producción industrial con capacidades novedosas por medio de ingeniería biopolímero y resistencia patógena. El código genético codifica en todos los organismos 20 aminoácidos canónicos que se utilizan para la biosíntesis de proteínas. En raras ocasiones, los aminoácidos especiales como la selenocisteína o pirrolysina pueden ser incorporados por el aparato de traducción a proteínas de algunos organismos. Juntos, estos 20+2 Aminoácidos son conocidos como los 22 Aminoácidos Proteinógenos. Mediante el uso de aminoácidos adicionales de entre los más de 700 conocidos por la bioquímica, las capacidades de las proteínas pueden ser alteradas para dar lugar a funciones catalíticas o materiales más eficientes. El proyecto Metacode financiado por la CE, por ejemplo, pretende incorporar la metatesis (una función catalizadora útil hasta ahora no conocida en los organismos vivos) en las células bacterianas. Otra razón por la que XB podría mejorar los procesos de producción radica en la posibilidad de reducir el riesgo de contaminación por virus o bacteriófagos en cultivos, ya que las células XB ya no proporcionarían células anfitrionas adecuadas, haciéndolos más resistentes (un enfoque llamado contención semántica)
• Xenobiology ofrece la opción de diseñar un "taller genético", un nuevo sistema de biocontención, que puede ayudar a fortalecer y diversificar los enfoques actuales de biocontención. Una preocupación por la ingeniería genética tradicional y la biotecnología es la transferencia horizontal de genes al medio ambiente y los posibles riesgos para la salud humana. Una idea importante en XB es diseñar códigos genéticos alternativos y bioquímicas para que la transferencia horizontal de genes ya no sea posible. Además, la bioquímica alternativa también permite nuevas auxotrofias sintéticas. La idea es crear un sistema biológico ortogonal que sería incompatible con los sistemas genéticos naturales.

Enfoque científico

En xenobiología, el objetivo es diseñar y construir sistemas biológicos que difieran de sus homólogos naturales en uno o más niveles fundamentales. Lo ideal sería que estos organismos nuevos en la naturaleza fueran diferentes en todos los aspectos bioquímicos posibles y exhibieran un código genético muy diferente. El objetivo a largo plazo es construir una célula que almacene su información genética no en el ADN sino en un polímero informativo alternativo que consiste en ácidos xenonucleicos (XNA), diferentes pares de bases, utilizando aminoácidos no canónicos y un código genético alterado. Hasta ahora se han construido células que incorporan sólo una o dos de estas características.

Ácidos xenonucleicos (XNA)

Originalmente, esta investigación sobre formas alternativas de ADN fue impulsada por la pregunta de cómo evolucionó la vida en la Tierra y por qué el ARN y el ADN fueron seleccionados por evolución (química) sobre otras posibles estructuras de ácidos nucleicos. Dos hipótesis para la selección del ARN y el ADN como columna vertebral de la vida son: o son favorecidos en las condiciones de la vida en la Tierra, o coincidentemente estaban presentes en la química anterior a la vida y continúan utilizándose ahora. Los estudios experimentales sistemáticos destinados a diversificar la estructura química de los ácidos nucleicos han dado como resultado biopolímeros informativos completamente nuevos. Hasta ahora se han sintetizado varios XNA con nuevas estructuras químicas o grupos salientes del ADN, por ejemplo: ácido nucleico de hexosa (HNA); ácido nucleico treosa (TNA), ácido nucleico glicol (GNA) y ácido ciclohexenilnucleico (CeNA). La incorporación de XNA en un plásmido, que implica 3 codones de HNA, se logró ya en 2003. Este XNA se utiliza in vivo (E coli) como plantilla para la síntesis de ADN. Este estudio, que utiliza un casete genético binario (G/T) y dos bases distintas al ADN (Hx/U), se extendió al CeNA, mientras que el GNA parece ser demasiado extraño en este momento para que el sistema biológico natural se utilice como modelo. para la síntesis de ADN. Las bases extendidas que utilizan una columna vertebral de ADN natural también podrían transliterarse en ADN natural, aunque en un grado más limitado.

Además de usarse como extensiones de cadenas de ADN molde, la actividad XNA se ha probado para su uso como catalizadores genéticos. Aunque las proteínas son los componentes más comunes de la actividad enzimática celular, los ácidos nucleicos también se utilizan en la célula para catalizar reacciones. Un estudio de 2015 encontró que varios tipos diferentes de XNA, en particular FANA (ácidos nucleicos 2'-fluoroarabino), así como HNA, CeNA y ANA (ácidos nucleicos arabinos), podrían usarse para escindir el ARN durante la acción del procesamiento postranscripcional del ARN. como enzimas XNA, de ahí el nombre XNAzymes. FANA XNAzymes también mostró la capacidad de ligar sustratos de ADN, ARN y XNA. Aunque los estudios de XNAzyme aún son preliminares, este estudio fue un paso en la dirección de buscar componentes de circuitos sintéticos que sean más eficientes que aquellos que contienen homólogos de ADN y ARN que pueden regular el ADN, el ARN y sus propios sustratos, XNA.

Ampliando el alfabeto genético

Si bien los XNA tienen columnas vertebrales modificadas, otros experimentos apuntan a reemplazar o ampliar el alfabeto genético del ADN con pares de bases no naturales. Por ejemplo, se ha diseñado un ADN que tiene, en lugar de las cuatro bases estándar A, T, G y C, seis bases A, T, G, C y las dos nuevas P y Z (donde Z significa 6- Amino-5-nitro3-(l'-p-D-2'-desoxirribofuranosil)-2(1H)-piridona, y P significa 2-Amino-8-(1-beta-D-2'). -desoxirribofuranosil)imidazo[1,2-a]-1,3,5-triazin-4 (8H)). En un estudio sistemático, Leconte et al. Probó la viabilidad de 60 bases candidatas (que producen potencialmente 3600 pares de bases) para una posible incorporación en el ADN.

En 2002, Hirao et al. desarrolló un par de bases no natural entre 2-amino-8-(2-tienil)purina (s) y piridina-2-ona (y) que funciona in vitro en la transcripción y traducción hacia un código genético para Síntesis de proteínas que contienen un aminoácido no estándar. En 2006, crearon 7-(2-tienil)imidazo[4,5-b]piridina (Ds) y pirrol-2-carbaldehído (Pa) como tercer par de bases para la replicación y transcripción, y luego, Ds y 4- El [3-(6-aminohexanamido)-1-propinil]-2-nitropirrol (Px) se descubrió como un par de alta fidelidad en la amplificación por PCR. En 2013, aplicaron el par Ds-Px a la generación de aptámeros de ADN mediante selección in vitro (SELEX) y demostraron que la expansión del alfabeto genético aumenta significativamente las afinidades de los aptámeros de ADN con las proteínas diana.

En mayo de 2014, los investigadores anunciaron que habían introducido con éxito dos nuevos nucleótidos artificiales en el ADN bacteriano, junto con los cuatro nucleótidos naturales, y al incluir nucleótidos artificiales individuales en los medios de cultivo, pudieron pasar las bacterias 24 veces; no crearon ARNm ni proteínas capaces de utilizar los nucleótidos artificiales.

Nuevas polimerasas

Ni el XNA ni las bases no naturales son reconocidos por las polimerasas naturales. Uno de los principales desafíos es encontrar o crear nuevos tipos de polimerasas que puedan replicar estas construcciones nuevas en la naturaleza. En un caso, se descubrió que una variante modificada de la transcriptasa inversa del VIH era capaz de amplificar por PCR un oligonucleótido que contenía un tercer tipo de par de bases. Pinheiro et al. (2012) demostraron que el método de evolución y diseño de la polimerasa condujo con éxito al almacenamiento y recuperación de información genética (de menos de 100 pb de longitud) a partir de seis polímeros genéticos alternativos basados en arquitecturas de ácidos nucleicos simples que no se encuentran en la naturaleza, los ácidos xenonucleicos.

Ingeniería de código genético

Uno de los objetivos de la xenobiología es reescribir el código genético. El método más prometedor para cambiar el código es la reasignación de codones poco utilizados o incluso no utilizados. En un escenario ideal, el código genético se expande en un codón, liberándose así de su antigua función y reasignándose completamente a un aminoácido no canónico (ncAA) ("expansión del código"). Como estos métodos son laboriosos de implementar, se pueden aplicar algunos atajos ("ingeniería de código"), por ejemplo, en bacterias que son auxótrofas para aminoácidos específicos y en algún momento del experimento se les alimenta con análogos isoestructurales. de los aminoácidos canónicos para los cuales son auxótrofos. En esa situación, los residuos de aminoácidos canónicos en las proteínas nativas se sustituyen por los ncAA. Incluso es posible la inserción de múltiples ncAA diferentes en la misma proteína. Finalmente, el repertorio de 20 aminoácidos canónicos no sólo se puede ampliar, sino también reducir a 19. Al reasignar los pares de ARN de transferencia (ARNt)/aminoacil-ARNt sintetasa, se puede cambiar la especificidad del codón. Las células dotadas de tales aminoacil-[ARNt sintetasas] son capaces de leer secuencias [ARNm] que no tienen sentido para la maquinaria de expresión genética existente. La alteración del codón: los pares de ARNt sintetasas pueden conducir a la incorporación in vivo de aminoácidos no canónicos en proteínas. En el pasado, la reasignación de codones se realizaba principalmente a escala limitada. Sin embargo, en 2013, Farren Isaacs y George Church de la Universidad de Harvard informaron sobre la sustitución de los 321 codones de parada TAG presentes en el genoma de E. coli con codones TAA sinónimos, demostrando así que se pueden combinar sustituciones masivas en cepas de orden superior sin efectos letales. Tras el éxito de este reemplazo de codones en todo el genoma, los autores continuaron y lograron la reprogramación de 13 codones en todo el genoma, afectando directamente a 42 genes esenciales.

Un cambio aún más radical en el código genético es el cambio de un codón triplete a un codón cuádruple e incluso quintillizo, iniciado por Sisido en sistemas libres de células y por Schultz en bacterias. Finalmente, se pueden utilizar pares de bases no naturales para introducir nuevos aminoácidos en las proteínas.

Evolución dirigida

El objetivo de sustituir el ADN por XNA también se puede alcanzar por otra vía, es decir, modificando el entorno en lugar de los módulos genéticos. Marlière y Mutzel han demostrado con éxito este enfoque con la producción de un E. coli cuyo ADN está compuesto de nucleótidos estándar A, C y G pero tiene el análogo sintético de timina 5-clorouracilo en lugar de timina (T) en las posiciones correspondientes de la secuencia. Estas células dependen entonces del 5-clorouracilo suministrado externamente para crecer, pero por lo demás se ven y se comportan como E normal. coli. Sin embargo, estas células todavía no son completamente auxótrofas para la base xeno, ya que todavía están creciendo sobre timina cuando ésta se suministra al medio.

Bioseguridad

Los sistemas xenobiológicos están diseñados para transmitir ortogonalidad a los sistemas biológicos naturales. Un organismo (aún hipotético) que utilice XNA, diferentes pares de bases y polimerasas y que tenga un código genético alterado difícilmente podrá interactuar con formas de vida naturales a nivel genético. Así, estos organismos xenobiológicos representan un enclave genético que no puede intercambiar información con las células naturales. La alteración de la maquinaria genética de la célula conduce a la contención semántica. En analogía con el procesamiento de información en TI, este concepto de seguridad se denomina "cortafuegos genético". El concepto de cortafuegos genético parece superar una serie de limitaciones de los sistemas de seguridad anteriores. En 2013 se logró una primera evidencia experimental del concepto teórico de cortafuegos genético con la construcción de un organismo genómicamente codificado (GRO). En este GRO, todos los codones de parada UAG conocidos en E. coli fueron reemplazados por codones UAA, lo que permitió la eliminación del factor de liberación 1 y la reasignación de la función de traducción de UAG. El GRO mostró una mayor resistencia al bacteriófago T7, lo que demuestra que los códigos genéticos alternativos reducen la compatibilidad genética. Este GRO, sin embargo, sigue siendo muy similar a su “padre” natural y no se puede considerar que tenga un cortafuegos genético. La posibilidad de reasignar la función de un gran número de tripletes abre la perspectiva de tener cepas que combinen XNA, nuevos pares de bases, nuevos códigos genéticos, etc. que no puedan intercambiar ninguna información con el mundo biológico natural. Independientemente de los cambios que conduzcan a un mecanismo de contención semántica en nuevos organismos, cualquier sistema bioquímico novedoso todavía debe someterse a un examen toxicológico. XNA, nuevas proteínas, etc. pueden representar nuevas toxinas o tener un potencial alérgico que debe evaluarse.

Cuestiones regulatorias y de gobernanza

La xenobiología podría desafiar el marco regulatorio, ya que actualmente las leyes y directivas tratan sobre organismos genéticamente modificados y no mencionan directamente los organismos modificados química o genómicamente. Teniendo en cuenta que no se esperan organismos xenobiológicos reales en los próximos años, los responsables políticos sí tienen algo de tiempo disponible para prepararse para un próximo desafío de gobernanza. Desde 2012, los siguientes grupos han abordado el tema como una cuestión de gobernanza en desarrollo: asesores políticos en EE. UU., cuatro Consejos Nacionales de Bioseguridad en Europa, la Organización Europea de Biología Molecular y el Comité Científico de la Comisión Europea sobre Productos Emergentes y Recientemente Riesgos para la Salud Identificados (CCRSERI) en tres dictámenes (Definición, metodologías de evaluación de riesgos y aspectos de seguridad, y riesgos para el medio ambiente y la biodiversidad relacionados con la biología sintética y prioridades de investigación en el campo de la biología sintética.).