Ксенонуклеиновые кислоты ( англ. Xeno nucleic acids , XNA) представляют собой синтетические аналоги нуклеиновых кислот , которые имеют сахарный остов, отличный от природных нуклеиновых кислот ДНК и РНК . По состоянию на 2011 год было показано, что по крайней мере шесть типов синтетических сахаров образуют скелеты нуклеиновых кислот, которые могут хранить и извлекать генетическую информацию. В настоящее время проводятся исследования по созданию синтетических полимераз для трансформации XNA. Изучение его производства и применения создало область, известную как ксенобиология .

Хотя генетическая информация по-прежнему хранится в четырёх канонических парах оснований (в отличие от других аналогов 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 .

Введение

Структура ДНК была открыта в 1953 году. Примерно в начале 2000-х исследователи создали ряд экзотических ДНК-подобных структур, XNA. XNA представляет собой синтетический полимер, который может нести ту же информацию, что и ДНК, но с другими молекулярными составляющими. «X» в XNA означает «xeno», что означает «чужой» или «инопланетянин», что указывает на различие в молекулярной структуре по сравнению с ДНК или РНК .

Не так много было сделано с XNA до тех пор, пока не был разработан специальный фермент полимераза, способный копировать XNA с матрицы ДНК, а также копировать XNA обратно в ДНК . Пинейро и др. (2012), например, продемонстрировали такую XNA-способную полимеразу, которая работает с последовательностями длиной ~100 п.н. Совсем недавно биологам-синтетикам и Александру Тейлору удалось создать XNA-зимы, XNA-эквивалент рибозима , ферменты, состоящие из ДНК или рибонуклеиновой кислоты. Это демонстрирует, что XNA не только хранят наследственную информацию, но также могут служить ферментами, повышая вероятность того, что жизнь в другом месте могла начаться с чего-то другого, кроме РНК или ДНК .

Структура

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

Молекулы, которые соединяются вместе, образуя шесть ксенонуклеиновых кислот, почти идентичны молекулам ДНК и РНК, за одним исключением: в нуклеотидах XNA дезоксирибозные и рибозные 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 структурно-химических изменений по сравнению с его природными аналогами. Типы синтетических XNA, созданных на данный момент, включают:

• 1,5-ангидрогекситолнуклеиновая кислота (HNA)
• Циклогексеновая нуклеиновая кислота (CeNA)
• Нуклеиновая кислота треозы ( ТНК )
• Гликолевая нуклеиновая кислота ( GNA )
• Замкнутая нуклеиновая кислота
• Пептидная нуклеиновая кислота ( ПНК )
• FANA ( )

HNA может потенциально действовать как лекарство, которое может распознавать и связываться с определёнными последовательностями. Ученым удалось выделить HNA для возможного связывания последовательностей, нацеленных на ВИЧ . Исследования показали, что с циклогексеновой нуклеиновой кислотой CeNA со стереохимией, подобной форме D, могут создавать стабильные дуплексы с собой и РНК. Было показано, что CeNA не столь стабильны, когда они образуют дуплексы с ДНК .

Значение

Изучение 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 можем контролировать и даже перепрограммировать генетический состав биологических организмов в будущем. XNA продемонстрировал значительный потенциал в решении актуальной проблемы генетически модифицированных организмов . Хотя ДНК невероятно эффективна в своей способности хранить генетическую информацию и обеспечивать сложное биологическое разнообразие, её четырёхбуквенный генетический алфавит относительно ограничен. Использование генетического кода из шести XNA вместо четырёх встречающихся в природе нуклеотидных оснований ДНК дает бесконечные возможности для генетической модификации и расширения химической функциональности .

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 . Исследования XNA 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 широкого класса химических предков .

Применение

Одной из теорий использования XNA является его включение в медицину в качестве средства для борьбы с болезнями. Некоторые ферменты и антитела , которые в настоящее время вводят для лечения различных заболеваний, слишком быстро расщепляются в желудке или кровотоке. Поскольку XNA является чужеродным и считается, что люди ещё не выработали ферменты для их расщепления, XNA могут служить более надежным аналогом методов лечения на основе ДНК и РНК, которые используются в настоящее время .

Эксперименты с XNA уже позволили заменить и расширить этот генетический алфавит, а XNA продемонстрировали комплементарность нуклеотидам ДНК и РНК, предполагая 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 . Кроме того, эксперименты на модельной бактерии E. coli продемонстрировали способность XNA служить биологической матрицей для ДНК in vivo .

Продвигаясь вперед в генетических исследованиях XNA, необходимо учитывать различные вопросы, касающиеся биобезопасности , , этики и управления/регулирования . 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 её последствия в генетической мутации .

XNA также имеет потенциальное применение в качестве катализатора , подобно тому, как РНК можно использовать в качестве фермента . Исследователи показали, что XNA способен расщеплять и 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 .

XNA можно использовать в качестве молекулярных зажимов в количественных полимеразных цепных реакциях в реальном времени (qPCR) путем гибридизации с целевыми последовательностями ДНК . В исследовании, опубликованном в PLOS ONE , анализ XNA-опосредованного молекулярного зажима выявил мутантную бесклеточную ДНК (cfDNA) предраковых поражений колоректального рака (CRC) и колоректального рака . XNA может также действовать как высокоспецифичный молекулярный зонд для обнаружения целевой последовательности нуклеиновой кислоты .

См. также

• Аналог нуклеиновой кислоты
• Ксенобиология

Использованная литература