La xenobiologia (XB) è una branca della biologia sintetica, la quale è lo studio della sintesi e della manipolazione di dispositivi e sistemi biologici. Il termine deriva dalla fusione della parola greca xenos ("diverso”, “straniero") con il sostantivo "biologia". In tal modo la xenobiologia descrive una forma di biologia che non è (ancora) familiare alla scienza e non si trova in natura.
In pratica, descrive sistemi biologici nuovi e biochimiche che differiscono dal sistema canonico DNA-RNA–20 aminoacidi (vedere il classico dogma centrale della biologia molecolare). Ad esempio, invece di DNA o RNA, XB esplora la possibilità di utilizzare analoghi di acidi nucleici, definiti Xeno Acidi Nucleici (XNA), come vettori di informazione.Pinheiro, V.B. and Holliger, P., 2012. The XNA world: Progress towards replication and evolution of synthetic genetic polymers. Current Opinion in Chemical Biology, 16, 245 La XB si concentra anche sull'espansione del codice geneticoBain, J. D., Switzer, C., Chamberlin, R., & Steven A. Bennert, S.A. (1992). Ribosome-mediated incorporation of a non-standard amino acid into a peptide through expansion of the genetic code, Nature 356, 537 – 539 e sull'incorporazione di aminoacidi non proteinogenici nelle proteine.Noren, C.J., Anthony-Cahill, S.J., Griffith, M.C., Schultz, P.G.(1989). A general method for site-specific incorporation of unnatural amino acids into proteins. Science 44, 82-88
Differenza tra xenobiologia e esobiologia
Astro significa “stella” e la parola greca eso significa “esterno”. L'esobiologia insieme all'astrobiologia sono due branche diverse dalla xenobiologia, anche se terminologicamente sono confondibili.
Entrambe si occupano della ricerca di vita evoluta naturalmente nell'Universo, soprattutto su pianeti localizzati nella zona abitabile attorno alle stelle. Gli astrobiologi sono, quindi, interessati nel rilevamento e nell'analisi di forme di vita (ipoteticamente) esistenti altrove nell'Universo.
Di contro, la xenobiologia tenta di progettare forme di vita con una biochimica diversa o un codice genetico diverso sul pianeta Terra.Schmidt M. Xenobiology: a new form of life as the ultimate biosafety tool Bioessays Vol 32(4):322-331
Finalità della xenobiologia La Xenobiologia ha il potenziale di rivelare informazioni fondamentali sulla biologia e l'origine della vita. Per comprendere meglio l'origine della vita, è necessario sapere perché la vita è apparentemente evoluta passando per un iniziale mondo ad RNA verso il sistema DNA-RNA-proteina e il suo codice genetico universale.Pace NR. 2001. The universal nature of biochemistry. Proc Natl Acad Sci USA 98: 805–8. Fu un "incidente" evolutivo o vi furono vincoli che esclusero altri tipi di chimiche? Testando “zuppe primordiali” contenenti chimiche alternative, ci si aspetta di capire meglio i principi che hanno dato origine alla vita come noi la conosciamo. La Xenobiologia si propone di sviluppare sistemi di produzione industriale con nuove capacità tramite, per esempio, un miglioramento dell´ingegneria dei biopolimeri e della resistenza ai patogeni. Il codice genetico codifica in tutti gli organismi 20 aminoacidi canonici che vengono utilizzati per la biosintesi delle proteine. In casi rari, aminoacidi speciali come selenocisteina, pirrolisina o selenometionina possono essere incorporati dall'apparato traduzionale nelle proteine di alcuni organismi.Wiltschi, B. and N. Budisa, Natural history and experimental evolution of the genetic code. Applied Microbiology and Biotechnology, 2007. 74: p. 739-753 Utilizzando amminoacidi aggiuntivi tra gli oltre 700 noti alla biochimica, le capacità delle proteine possono essere modificate per dare luogo a funzioni catalitiche o materiali più efficienti. Il progetto Metacode finanziato dalla CE METACODE, per esempio, mira ad incorporare gruppi funzionali utili per la reazione di metatesi olefinica nelle proteine di cellule batteriche. Un'altra ragione per cui la XB potrebbe migliorare i processi di produzione consiste nella possibilità di ridurre il rischio di contaminazione da virus o batteriofago in colture poiché le “xeno-cellule” non sarebbero più ospiti adatti per tali agenti infettivi (un approccio chiamato contenimento semantico). La Xenobiologia offre la possibilità di progettare un 'firewall genetico', cioè un nuovo sistema di biocontenimento che può aiutare a rafforzare e diversificare gli approcci di biocontenimento correnti. Una preoccupazione dell'ingegneria genetica e della biotecnologia tradizionale, infatti, è il trasferimento genico orizzontale verso l'ambiente ed i possibili rischi che ne deriverebbero per la salute umana. Un'idea importante nella XB è progettare codici genetici e biochimiche alternativi in modo che il trasferimento genico orizzontale non sia più possibile. Inoltre la biochimica alternativa consente anche l'introduzione di nuove auxotrofie sintetiche. L'idea è quella di creare un sistema biologico ortogonale che sarebbe incompatibile con i sistemi genetici naturali.Herdewijn P, Marlière P. Toward safe genetically modified organisms through the chemical diversification of nucleic acids.Chem Biodivers. 2009 Jun;6(6):791–808.
Approccio scientifico In Xenobiologia, l'obiettivo è quello di progettare e costruire sistemi biologici che differiscono dalle loro controparti naturali su uno o più livelli fondamentali. Idealmente questi organismi nuovi in natura sarebbero diversi in ogni possibile aspetto biochimico esibendo un codice genetico molto diverso. L'obiettivo a lungo termine è quello di costruire una cellula che memorizzi le informazioni genetiche non nel DNA, ma in un polimero informativo alternativo costituito da acidi nucleici xeno (XNA), diverse coppie di basi, utilizzando aminoacidi non canonici ed un codice genetico alterato. Finora sono state costruite cellule che incorporano solo una o due di queste caratteristiche.
Acidi nucleici Xeno (XNA) Originariamente questa ricerca su forme alternative di DNA è stata trainata dalla domanda su come la vita si è evoluta sulla terra e perché RNA e DNA sono stati selezionati dall'evoluzione (chimica) rispetto ad altre possibili strutture di acidi nucleici.Eschenmoser, A. (1999) Chemical etiology of nucleic acid structure. Science. 284, 2118–2124. Studi sperimentali sistematici finalizzati alla diversificazione della struttura chimica degli acidi nucleici sono risultati nella scoperta di biopolimeri informativi completamente nuovi. Finora sono stati sintezzati diversi XNAs con nuovi scheletri chimici o motivi uscenti del DNA,Vastmans K, Froeyen M, Kerremans L, et al. (2001). Reverse transcriptase incorporation of 1,5-anhydrohexitol nucleotides. Nucleic Acids Res 29: 3154–63. 42Jang, M et al. (2013). A synthetic substrate of DNA polymerase deviating from the bases, sugar, and leaving group of canonical deoxynucleoside triphosphates. Chemistry & Biology, 20 (3), art.nr. 10.1016/j.chembiol.2013.02.010, 416-23Pinheiro, V.B. and Holliger, P., (2012) The XNA world: Progress towards replication and evolution of synthetic genetic polymers. Current Opinion in Chemical Biology, 16, 245Pinheiro, V.B., Loakes, D. and Holliger, P. (2013) Synthetic polymers and their potential as genetic materials. Bioessays, 35, 113 ad esempio: acido esonucleico (HNA), acido treonucleico (TNA),Ichida JK, Horhota A, Zou K, et al. (2005). High fidelity TNA synthesis by Therminator polymerase. Nucleic Acids Res 33: 5219–25 acido gliconucleico (GNA), acido nucleico cicloesenile (CeNA).Kempeneers V, Renders M, Froeyen M, et al. (2005). Investigation of the DNA-dependent cyclohexenyl nucleic acid polymerization and the cyclohexenyl nucleic acid-dependent DNA polymerization. Nucleic Acids Res. 33: 3828–36 L'incorporazione di un XNA in un plasmide, comportante l'inserimento di 3 codoni HNA, è stata compiuta già nel 2003.Pochet S. et al. (2003). Replication of hexitol oligonucleotides as a prelude to the propagation of a third type of nucleic acid in vivo. Comptes Rendus Biologies. 326:1175–1184 Questo XNA è utilizzato in vivo (E. coli) come stampo per la sintesi del DNA. Questo studio, utilizzando una cassetta genetica binaria (G/T) e due basi non presenti nel DNA (Hx/U), è stato esteso a CeNA, mentre GNA sembra essere ancora troppo estraneo per il sistema biologico naturale per essere utilizzato come modello per la sintesi del DNA.Pezo V. et al. (2012). Binary Genetic Cassettes for Selecting XNA-Templated DNA Synthesis In Vivo. Angew Chem. 52: 8139–8143 Basi di dimensioni maggiori inserite in uno scheletro di DNA naturale, potrebbero, parimenti, essere trascritte in DNA naturale, anche se con un'efficienza minore.
Ampliare l'alfabeto genetico Mentre gli XNAs hanno uno scheletro modificato, altri esperimenti mirano alla sostituzione o all´ampliamento dell'alfabeto genetico del DNA con coppie di basi innaturali. Ad esempio, è stato progettato un DNA che ha, oltre alle quattro basi standard (A, T, G e C), due nuove basi, P e Z (dove Z sta per 6-amino-5-nitro3-(1'-β-D-2'-deoxyribofuranosyl)-2(1H)-pyridone, e P sta per 2-amino-8-(1-β-D-2'-deoxyribofuranosyl)imidazo[1,2-a]-1,3,5-triazine-4(8H)).Sismour, A.M., et al. (2004) PCR amplification of DNA containing non-standard base pairs by variants of reverse transcriptase from Human Immunodeficiency Virus-1. Nucleic Acids Res. 32, 728–735Yang, Z., Hutter, D., Sheng, P., Sismour, A.M. and Benner, S.A. (2006) Artificially expanded genetic information system: a new base pair with an alternative hydrogen bonding pattern. Nucleic Acids Res. 34, 6095–6101Yang, Z., Sismour, A.M., Sheng, P., Puskar, N.L. and Benner, S.A. (2007) Enzymatic incorporation of a third nucleobase pair. Nucleic Acids Res. 35, 4238–4249 In uno studio, Leconte et al hanno testato l'applicabilità di 60 basi candidate per la possibile incorporazione nel DNA, identificando potenzialmente 3600 paia di basi.Leconte, A.M., Hwang, G.T., Matsuda, S., Capek, P., Hari, Y. and Romesberg, F.E. (2008) Discovery, characterization, and optimization of an unnatural base pair for expansion of the genetic alphabet. J. Am. Chem. Soc. 130, 2336–2343
Nuove Polimerasi Né un XNA, né le basi innaturali sono generalmente riconosciuti dalle polimerasi naturali. Una delle principali sfide è trovare o creare nuovi tipi di polimerasi che saranno in grado di replicare questi costrutti sintetici. In un caso una variante modificata della trascrittasi inversa dell´HIV è stata capace di amplificare tramite PCR un oligonucleotide contenente una coppia di basi di terzo tipo.Sismour, A.M. and Benner, S.A. (2005) The use of thymidine analogs to improve the replication of an extra DNA base pair: a synthetic biological system. Nucleic Acids Res. 33, 5640–5646Havemann, S.A., Hoshika, S., Hutter, D. and Benner, S.A. (2008) Incorporation of multiple sequential pseudothymidines by DNA polymerases and their impact on DNA duplex structure. Nucleosides Nucleotides Nucleic Acids 27, 261–278 Pinheiro et al (2012), attraverso cicli di mutagenesi e screening, hanno evoluto una polimerasi che consente la memorizzazione ed il recupero di informazioni genetiche (di lunghezza inferiore a 100bp) da sei polimeri genetici alternativi basati su semplici architetture di acido nucleico non presenti in natura (XNAs).Pinheiro VB et al. (2012) Synthetic genetic polymers capable of heredity and evolution. Science 336: 341-344
Ingegneria del codice genetico