이종생물학

Xenobiology
우주생물학이나 Xenology와 혼동하지 말 것.
에 관한 일련의 기사의 일부
합성생물학
합성 생물 회로
게놈 편집
인공 세포
이종생물학
기타 토픽

XB(Xenobiology)는 합성생물학의 하위 분야로, 생물학적 [1]장치와 시스템을 합성하고 조작하는 학문입니다."제노바이올로지"라는 이름은 "이상한, 외계인"이라는 뜻의 그리스어 제노스에서 유래했습니다.이종생물학은 과학에 익숙하지 않고 [2]자연에서 발견되지 않는 생물학의 한 형태이다.실제로, 그것은 표준 DNA-RNA-20 아미노산 시스템과 다른 새로운 생물학적 시스템과 생화학자들을 기술한다(분자생물학의 중심 교리 참조).예를 들어, DNA나 RNA 대신 XB는 정보 [3]운반체로서 XNA(Xeno nuclear acid)라고 불리는 핵산 유사체를 탐색합니다.그것은 또한 확장된 유전자[4] 코드와 [5]단백질에 비단백질 아미노산의 결합에 초점을 맞추고 있다.

제노, 엑소, 우주생물학의 차이점

"아스트로"는 "별"을 의미하고 "엑소"는 "밖"을 의미합니다.외계생물학과 우주생물학 모두 우주에서 자연적으로 진화한 생명체를 찾는 것을 다루고 있으며, 주로 별 주변 생명체 거주 가능 영역의 다른 행성에서 발견됩니다(이것들은 때때로 외계생물학이라고도 불립니다.[2]우주생물학자들은 우주의 다른 곳에서 생명체의 발견과 분석에 관심이 있는 반면, 이종생물학은 [2]지구와는 다른 생화학이나 다른 유전 코드를 가진 생명체의 형태를 설계하려고 시도한다.

목적

  • 이종생물학은 생물학과 생명의 기원에 대한 기본적인 지식을 밝힐 수 있는 잠재력을 가지고 있다.생명의 기원을 더 잘 이해하기 위해서, 왜 생명체가 초기 RNA 세계를 통해 DNA-RNA-단백질 시스템과 거의 보편적인 유전자 [6]코드로 진화했는지 알 필요가 있다.그것은 진화적인 "사고"였을까 아니면 다른 종류의 화학을 배제하는 제약이 있었을까?대체 생화학적 "원시 수프"를 시험함으로써, 우리가 알고 있는 생명을 탄생시킨 원리를 더 잘 이해할 수 있을 것으로 기대된다.
  • 이종생물학은 바이오폴리머 공학과 병원체 내성을 통해 새로운 능력을 가진 산업 생산 시스템을 개발하는 접근법이다.유전자 코드는 단백질 생합성에 사용되는 모든 유기체의 20개의 표준 아미노산을 암호화한다.드물게 셀레노시스테인, 필롤리신 또는 포르밀메티오닌 등의 특수 아미노산을 번역장치에 의해 일부 [7]생물의 단백질에 포함할 수 있다.생화학에 알려진 700개 이상의 아미노산 중에서 추가 아미노산을 사용함으로써 단백질의 능력을 변화시켜 보다 효율적인 촉매 기능 또는 재료 기능을 발생시킬 수 있다.예를 들어, EC가 후원하는 [8]메타코드 프로젝트는 메타세시스(지금까지 살아있는 유기체에 알려지지 않은 유용한 촉매 기능)를 박테리아 세포에 통합하는 것을 목표로 한다.XB세포가 더 이상 적절한 숙주세포를 제공하지 않기 때문에 XB가 생산과정을 개선할 수 있는 또 다른 이유는 배양에서 바이러스나 박테리오파지 오염의 위험을 줄일 수 있다는 가능성이다(의미적 봉쇄라고 불리는 접근법).
  • 이종생물학은 "유전자 방화벽"을 설계할 수 있는 옵션을 제공하는데, 이는 현재의 생물 억제 접근법을 [2]강화하고 다양화하는 데 도움이 될 수 있는 새로운 생물 억제 시스템입니다.전통적인 유전공학과 생명공학의 한 가지 관심사는 환경에 대한 수평적 유전자 이동과 인간의 건강에 대한 가능한 위험이다.XB의 한 가지 주요 아이디어는 수평적 유전자 이동이 더 이상 [9]불가능하도록 대체 유전자 코드와 생화학 기술을 설계하는 것이다.추가적으로 대체 생화학은 또한 새로운 합성 보조영양을 허용한다.그 아이디어는 자연 유전 시스템과 [10]양립할 수 없는 직교 생물학적 시스템을 만드는 것이다.

과학적 접근

이종생물학에서 목표는 하나 이상의 근본적인 수준에서 자연계와는 다른 생물학적 시스템을 설계하고 구축하는 것이다.이상적으로 이 새로운 자연 유기체들은 매우 다른 유전자 [11]코드를 나타내는 모든 가능한 생화학적 측면에서 다를 것이다.장기 목표는 DNA가 아닌 XNA, 다른 염기쌍으로 구성된 대체 정보 중합체에 비 카논아미노산과 변경된 유전자 코드를 사용하여 유전 정보를 저장하는 세포를 구축하는 것이다.지금까지 셀은 이러한 특징 중 하나 또는 두 개만을 포함하는 것으로 구성되었습니다.

XNA(Xeno 핵산)

주요 기사: Xeno 핵산

원래 DNA의 다른 형태에 대한 이 연구는 지구상의 생명체가 어떻게 진화했는지 그리고 왜 RNA와 DNA가 다른 가능한 핵산 [12]구조보다 (화학적) 진화에 의해 선택되었는지에 대한 질문에 의해 추진되었다.RNA와 DNA를 생명체의 등뼈로 선택하기 위한 두 가지 가설은 지구의 조건에서 생명체가 선호하는 가설이거나, 혹은 그것들이 우연히 존재하여 [13]현재에도 계속 사용되고 있다.핵산의 화학적 구조의 다양화를 목표로 한 체계적인 실험 연구는 완전히 새로운 정보 생체 고분자를 만들어냈다.지금까지 새로운 화학 백본 또는 DNA의 이탈 그룹을 가진 많은 XNA가 [3][14][15][16]합성되었습니다. 예를 들어, 헥소스 핵산(HNA), 트레오스 핵산(TNA),[17] 글리콜 핵산(GNA) 사이클로헥세닐 핵산(CeNA)[18]입니다.3개의 HNA 코돈을 포함하는 플라스미드에 XNA의 통합은 2003년에 [19]이미 이루어졌다.이 XNA는 DNA 합성을 위한 템플릿으로 생체 내(대장균)를 사용한다.이 연구는 2진수(G/T) 유전자 카세트와 2개의 비 DNA 염기(Hx/U)를 사용하여 CeNA로 확장되었으며, GNA는 현재 DNA [20]합성의 템플릿으로 사용하기에는 너무 이질적인 것으로 보인다.천연 DNA 골격을 사용하는 확장된 염기도, 비록 [21]더 제한적이긴 하지만, 마찬가지로 자연 DNA로 번역될 수 있다.

템플릿 DNA 가닥의 확장으로 사용되는 것 외에도 XNA 활성은 유전자 촉매로 사용되는 것이 테스트되었습니다.단백질은 세포 효소 활성의 가장 일반적인 구성 요소이지만, 핵산은 또한 반응을 촉매하기 위해 세포에서 사용됩니다.2015년 연구에서는 여러 가지 다른 종류의 XNA, 특히 FANA(2'-플루오로아라비노 핵산)와 HNA, CeNA 및 ANA(아라비노 핵산)가 XNA 효소로 작용하는 전사 후 RNA 처리 중에 RNA를 절단하는 데 사용될 수 있다는 것을 밝혀내 XNAzymes라는 이름을 얻었다.FANA XNAzymes는 또한 DNA, RNA 및 XNA [13]기질을 결합하는 능력을 보였다.XNAzyme 연구는 아직 초기 단계이지만, 본 연구는 DNA, RNA 및 자체 XNA, 기질을 조절할 수 있는 DNA 및 RNA를 포함하는 것보다 더 효율적인 합성 회로 구성 요소를 찾는 방향으로 나아가는 단계였다.

유전자 알파벳 확장

주요 기사:부자연스러운 염기쌍과 확장된 유전자 코드

XNA가 등뼈를 변형하는 동안, 다른 실험들은 DNA의 유전자 알파벳을 부자연스러운 염기쌍으로 대체하거나 확대하는 것을 목표로 한다.예를 들어, 4개의 표준염기 A, T, G, C 대신에 6개의 염기 A, T, G, C와 2개의 새로운 염기 P 및 Z(여기서 Z는 6-아미노-5-니트로3-(l'-p-D-2'-deoxy-liban-hos)를 갖는 DNA가 설계되었다.체계적 연구에서, Leconte [25]등은 DNA에 포함될 수 있는 60개의 후보 염기(잠재적으로 3600개의 염기쌍을 산출)의 생존성을 테스트했다.

2002년 히라오 외 연구진은 2-아미노-8-(2-티에닐) 푸린(s)과 피리딘-2-온(y) 사이에 비표준 아미노산을 [26]포함한 단백질 합성을 위한 유전자 코드를 향해 시험관 내 전사 및 번역 기능을 하는 부자연스러운 염기쌍을 개발했다.2006년에는 복제 및 [27]전사를 위한 세 번째 염기쌍으로 7-(2-티에닐)이미다조[4,5-b]피리딘(Ds)과 피롤-2-카르발알데히드(Pa)를 만든 후 Ds와 4-[3-(6-아미노헥사나미드)-1-프로필]-2-프로피롤을 생성하였다.2013년, 그들은 Ds-Px 쌍을 시험관내 선택(SELEX)에 의한 DNA 압타머 생성에 적용하고 유전자 알파벳 확장이 표적 [30]단백질에 대한 DNA 압타머 친화력을 유의하게 증가시킨다는 것을 입증했다.

2014년 5월, 연구원들은 자연적으로 발생하는 4개의 뉴클레오티드와 함께 박테리아 DNA에 두 개의 새로운 인공 뉴클레오티드를 성공적으로 도입했다고 발표했다. 그리고 배양 배지에 개별 인공 뉴클레오티드를 포함시킴으로써, 그들은 박테리아를 24번 통과할 수 있었다; 그들은 mRNA나 아티를 사용할 수 있는 단백질을 생성하지 않았다.피셜 [31][32][33]뉴클레오티드

신규 중합효소

XNA나 부자연스러운 염기는 모두 천연 중합효소에 의해 인식되지 않는다.주요 과제 중 하나는 이러한 자연 구조물을 복제할 수 있는 새로운 유형의 중합 효소를 찾거나 만드는 것입니다.하나의 사례에서 HIV 역전사효소의 변형 변이체는 제3의 타입 염기쌍을 [34][35]포함한 올리고뉴클레오티드를 PCR 증폭시킬 수 있는 것으로 밝혀졌다.Pinheiro et al.(2012)는 중합효소 진화 및 설계 방법이 자연에서 발견되지 않는 단순 핵산 구조인 제노 [36]핵산을 기반으로 하는 6개의 대체 유전자 중합체로부터 유전자 정보(길이 100bp 미만)의 저장 및 복구로 이어졌음을 입증했다.

유전자 코드 공학

이종생물학의 목표 중 하나는 유전자 코드를 다시 쓰는 것이다.코드를 변경하는 가장 유망한 방법은 거의 사용되지 않거나 심지어 사용하지 않는 코돈을 [37]재할당하는 것입니다.이상적인 시나리오에서는 유전자 코드가 하나의 코돈으로 확장되어 오래된 기능에서 해방되어 비규격 아미노산(ncAA)에 완전히 재할당된다("코드 확장")이러한 방법들은 구현하기가 힘들고, 예를 들어 특정 아미노산에 대해 보조 영양을 취하고 실험의 어느 시점에서 보조 영양을 제공하는 표준 아미노산 대신 등구조 유사물을 공급받는 등 일부 지름길("코드 엔지니어링")을 적용할 수 있다.이 경우 토종 단백질의 표준 아미노산 잔기는 ncAAs로 치환된다.동일한 단백질에 여러 개의 서로 다른 ncAA를 삽입하는 것도 가능하다.[38]마지막으로 20개의 표준 아미노산 레퍼토리를 확장할 수 있을 뿐만 아니라 [39]19개로 줄일 수 있다.전사 RNA(tRNA)/아미노아실-tRNA 합성효소 쌍을 재할당함으로써 코돈특이성을 변경할 수 있다.따라서 이러한 아미노아실[tRNA 합성효소]을 가진 세포는 기존의 유전자 발현 기구에 [40]의미가 없는 [mRNA] 배열을 읽을 수 있다.코돈의 변화: tRNA 합성효소 쌍은 비 카논성 아미노산을 [41][42]단백질로 생체 내 혼입시킬 수 있다.과거에는 코돈 재할당이 주로 제한된 규모로 이루어졌습니다.그러나 2013년 하버드 대학의 패런 아이작스와 조지 처치는 대장균의 게놈에 존재하는 321개의 TAG 스톱 코돈 모두를 동의어인 TAA 코돈으로 대체함으로써 대량 치환이 치사 [43]효과 없이 고차 균주로 결합될 수 있음을 입증했다.이 게놈 전체 코돈 치환의 성공 이후, 저자들은 계속해서 게놈 전체에 걸쳐 13개의 코돈의 재프로그래밍을 이루어 42개의 [44]필수 유전자에 직접적인 영향을 미쳤다.

유전자 코드의 보다 근본적인 변화는 세쌍둥이 코돈이 세포 없는[45] 시스템에서는 시시도, [46]박테리아에서는 슐츠가 개척한 네쌍둥이 코돈으로 바뀌는 것이다.마지막으로,[47] 비자연 염기쌍은 단백질에 새로운 아미노산을 도입하기 위해 사용될 수 있다.

지향적 진화

XNA로 DNA를 대체하는 목표는 또한 유전자 모듈 대신 환경을 엔지니어링함으로써 다른 경로로 달성될 수 있다.이 접근법은 DNA가 표준 A, C 및 G 뉴클레오티드로 구성되지만 배열의 해당 위치에 티민(T) 대신 합성 티민 유사체 5-클로로우라실이 있는 대장균 균주의 생산으로 Marliér와 Mutzel에 의해 성공적으로 입증되었다.이 세포들은 성장을 위해 외부에서 공급된 5-클로로우라실에 의존하지만, 그렇지 않으면 정상적인 대장균처럼 보이고 행동합니다.그러나 이러한 세포들은 [48]배지에 공급될 때 티민에서 여전히 자라고 있기 때문에 현재 제노염기에 대해 완전한 보조 영양소는 아니다.

바이오세이프티

이종 생물 시스템은 자연 생물 시스템에 직교성을 전달하도록 설계되었다.XNA,[49] 다른 염기쌍과 중합효소를 사용하고 변경된 유전자 코드를 가진 (여전히 가설적인) 유기체는 유전자 수준에서 자연적인 형태의 생물과 거의 상호작용을 할 수 없을 것이다.따라서 이 이종생물학적 유기체들은 [50]자연세포와 정보를 교환할 수 없는 유전적 영역을 나타낸다.세포의 유전자 구조를 바꾸는 것은 의미적 억제로 이어진다.IT에서의 정보처리와 마찬가지로 이 안전 개념은 "유전자 방화벽"[2][51]이라고 불립니다.유전자 방화벽의 개념은 이전의 안전 [52][53]시스템의 많은 한계를 극복하는 것으로 보인다.유전자 방화벽의 이론적 개념에 대한 첫 번째 실험 증거는 2013년 유전자 기록 유기체(GRO)의 구축으로 이루어졌다.이 GRO에서는 E.coli에서 알려진 모든 UAG 정지 코돈이 UAA 코돈으로 대체되었으며, 이를 통해 방출 계수 1을 삭제하고 UAG 변환 기능을 재할당할 수 있었습니다.GRO는 T7 박테리오파지에 대한 내성이 증가하여 대체 유전자 코드가 유전적 [54]호환성을 감소시킨다는 것을 보여주었다.그러나 이 GRO는 여전히 자연적인 "부모"와 매우 유사하며 유전적 방화벽으로 간주될 수 없습니다.다수의 세쌍둥이의 기능을 재할당할 수 있는 가능성은 자연 생물계와 어떠한 정보도 교환할 수 없는 XNA, 새로운 염기쌍, 새로운 유전자 코드 등을 결합하는 균주를 가질 수 있는 관점을 열어준다.새로운 유기체의 의미적 봉쇄 메커니즘으로 이어지는 변화와 상관없이, 새로운 생화학 시스템은 여전히 독성학적 검사를 거쳐야 한다.XNA, 신규 단백질 등은 새로운 독소를 나타내거나 알레르기 가능성을 [55][56]평가할 필요가 있다.

거버넌스 및 규제 문제

현재 법률과 지침이 유전자 변형 유기체를 다루며 화학 또는 유전자 변형 유기체를 직접적으로 언급하지 않기 때문에, 이종 생물학은 규제 프레임워크에 도전할 수 있다.앞으로 몇 년 안에 진짜 이종생물학 유기체가 기대되지 않는다는 점을 고려하면 정책 입안자들은 다가올 거버넌스 과제에 대비할 시간을 가질 수 있습니다.2012년 이후로, 다음과 같은 단체들은 개발 거버넌스 이슈:3의견을(Defini의 US,[57]4국립 생물 안전 위원회 Europe,[58]의 유럽 분자 생물학 Organisation,[59]과 유럽 위원회의 과학 위원회 이머징에 및 식별 건강 위험에 정책 고문들(SCENIHR)주제를 높였다.tion,[60]위험합성생물학과 관련된 환경 [62]및 생물다양성에 대한 위험과 합성생물학 분야의 연구 우선순위).[61]

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크