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Xenobiologie (XB)[1] ist eine Teildiszilin der Synthetischen Biologie, welche sich mit der Synthese sowie der Manipulation komplexer biologischer Schaltkreise und Systeme beschäftigt. Aus dem griechischem xénos ("Gast; Femder") abgeleitet, beschreibt Xenobiologie biologische Formen, die der Wissenschaft bisher unbekannt sind bzw. nicht natürlichen Urpsprungs sind. In experimenteller Praxis bezeichnet die XB neuartige biologische und biochemische Systeme, welche sich von dem kanonischen DNA-RNA-20 Aminosäurensystem unterscheiden (siehe dazu Zentrales Dogma der Molekularbiologie). In diesem Sinne werden in der Xenobiologie die natürlichen DNA und RNA Moleküle durch synthetische Nukleinsäure-Analoga ersetzt und unter der Bezeichnung Xenonukleinsäuren (XNA) als Informationträger verwendet.[2] Ebenfalls fokussiert sich Xenobiologie auf die Erweiterung des genetischen Codes [3] und die Inkorporation nichtproteinogener Aminosäuren in Proteine.[4]

Abgrenzung zwischen Xeno-, Exo-, und Astrobiologie

Das Präfix Astro (griechisch ástron = Stern(-bild)) besitzt als Bestimmungswort die Bedeutung "Gestirn-, Stern-, Weltall" [5] wobei Exo (griechisch éxō, zu: ex = (her)aus) als Bestimmungswort der Bedeutung "außen, außerhalb" zugeordnet wird. [6] Exobiologie und Astrobiologie beschäftigen sich mit möglichen Existenz und Entstehung von außerirdischen Leben und der allgemeinen Suche nach Leben im All, wobei sich dabei das Interesse meist auf Planeten in der Goldilocks Zone konzentriert. Im Gegensatz zu Astrobiologen, welche versuchen mögliches extraterrestrisches Leben im Universum zu detektieren sowie zu analysieren, beschäftigen sich Xenobiologen mit dem Versuch Lebensformen mit abweichender Biochemie oder abweichenden genetischen Code auf der Erde, also terrestial, zu entwickeln.[7]

Ziele der Xenobiologie

  • Potenziell ermöglicht XB das Erlangen neuer Erkenntnisse über fundamentale biologische Prinzipien sowie Fortschritte in der Ergründung der Entstehung des Lebens. Um besonders letzteres, besser zu verstehen ist es notwendig zu untersuchen warum sich die Evolution des Lebens anscheinlich über die RNA-Welt hin zu dem bekannten DNA-RNA-Protein System sowie dessen genetischen Code erstreckte.[8] In diesem Zusammenhang stehen die Fragen, ob das Leben ein evolutiver "Zufall" war oder ob bestimmte selektive Zwänge existierten, welche andere Chemien des Lebens von Anfang an ausschloss. Durch das Erzeugen alternativer biochemischer "Ursuppen" wird erwartet fundamentale Prinzipien zu ergründen, welche zur Enwicklung des Lebens, wie wir es heute kennen, beigetragen haben.
  • Abseits von der Grundlagenforschung bietet die Xenobiologie zahlreiche neue Ansätze zur Entwicklung industrieller Produktionssysteme mit denen neuartige Herstellungsmöglichkeiten, im Bereich der verstärkten Biopolymere sowie der Abwehr von Krankheitserregern, geschaffen werden. Der genetische Code codiert in allen Organismen 20 kanonische Aminosäuren, welche zur Proteinbiosynthese verwendet werden. In einigen wenigen Fällen werden besondere Aminosäuren sowie Selenomethionin, Selenocystein, Pyrrolysine vom Translationsapperat in Proteine einiger Organismen inkorporiert.[9] In diesem Sinne können von über 700 der Biochemie bekannten zusätzlichen Aminosäuren verwendet werden, um die Fähigkeiten von Proteinen zu verändern und effizientere katalytische oder werkstoffliche Funktionalitäten zu erzeugen. Das EU-geförderte Projekt METACODE, beispielsweise verfolgt das Ziel die Metathese ( ein nützlicher katalytischer Vorgang welcher in lebenden Organismen bisher unbekannt ist) in Bakterienzellen zu inkorporieren. Ein weiterer Grund warum XB derzeitige Produktionsprozesse verbessern kann, liegt in der Möglichkeit das Risiko von Viren- oder Bakteriophagenbefall während der Kultivierung zu minimieren. Xenobiologische Zellen würden sich als Wirte für Viren und Phagen nicht mehr eignen, da sie durch sogenanntes "semantisches Containment" eine höhere Resistenz aufweisen würden.
  • Xenobiologie ermöglicht die Entwicklung neuartiger Biocontainment Systeme. Dabei wird das Ziel verfolgt mit einer "genetischen Firewall" derzeitige Biocontaimentansätze zu stärken und zu diversifizieren. Einer der traditionell größten Kritikpunkte bzw. Bedenken der Gentechnik und der Biotechnologie ist die Gefahr des horizontalen Gentransfers, welcher zur unkontrollierten Veränderung der natürlichen Umwelt und zu möglichen Gefahren für die Gesundheit des Menschen und der Natur führen könnte. Die XB verfolgt als eine der Hauptideen, das Ziel einen alternativen genetischen Code sowie andere biochemische Funktionen zu erzeugen, welche einen horizontaler Gentransfer möglichst unmöglich machen. Eine veränderte Biochemie würde neue synthetische Auxotrophien ermöglichen und es möglich machen , ein orthogonales biologisches System herzustellen, dass in jedem Falle inkompatibel mit natürlichen genetischen Systemen ist.[10]

Wissenschaftlicher Ansatz

Die Xenobiologie verfolgt das Ziel biologische Systeme zu designen und herzustellen, welche sich von ihren natürlichen Gegenstücken auf einer oder mehreren fundamentalen Prinzipien unterscheiden. Idealerweise würden sich diese der-Natur-neuen Organismen in jeden möglichen biochemischen Aspekt von den Natürlichen unterscheiden und einen völlig anderen genetischen Code aufweisen. Das langfristige Ziel wäre es die genetische Information nicht in DNA zu speichern, sondern ein alternatives informationtragendes Polymer mit unterschiedlichen Xenonukleinsäuren (XNA)und anderen Basenpaaren zu verwenden sowie nichtkanonische Aminosäuren und einen veränderten genetischen Code zu nutzen. Bisher wurden Zellen hergestellt, welche nur über ein oder zwei dieser Eigenschaften verfügen.

Xenonukleinsäuren (XNA)

Ursprünglich entstand die Forschung nach alternativen Formen von DNA aus der Frage nach der Entstehung des Lebens heraus und warum RNA und DNA durch die (chemische) Evolution "gewählt" wurden und anderen möglichen Nukleinsäurestrukturen vorgezogen wurde. [11] Das systematisches experimentelles Vorgehen, welches auf die Diversifizierung der chemischen Nukleinssäurenstruktur abzielte, resultierte in völlig neuartigen informationstragenden Biopolymeren. Es wurden bereits einige XNA-Rückgräder synthetisiert, welche über eine neue chemische Struktur oder veränderte abgehende DNA-Sequenzmotive verfügen.[12][13][14][15] e.g.: hexose nucleic acid (HNA); (TNA),[16] (GNA) cyclohexenyl nucleic acid (CeNA).[17] Die Inkorporation von XNA in ein Plasmid mit drei HNA Codons wurde bereits 2003 erfolgreich durchgeführt. [18] Diese Xenonukleinsäuren werden bereits in vivo in E. coli als Vorlage für die DNA Synthese genutzt. Dabei wird eine binäre genetische Kasette (G/T) verwendet sowie zwei nicht DNA Basen (Hx/U). Der Einbau von CeNA konnte ebenfalls erfolgreich durchgeführt werden. Probleme gab es jedoch bei der Inkorporation von GNA, wobei diese sich als zu fremd erwies um als DNA-Vorlage in ein natürliches biologisches System eingebracht zu werden. [19] Diese erweiterten Basenpaare, welche auf der Chemie eines natürlichen DNA-Rückgrades existieren, könnten jedoch wahrscheinlich im begrenzten Rahmen wieder in natürliche DNA umgewandelt werden.[20]

Erweiterung des genetischen Alphabetes

Während XNA über modifizierte Rückgräder verfügt, zielen andere Versuche darauf ab das natürliche Alphabet der DNA auszutauschen oder mit unnatürlichen Basen zu erweitern. Beispielsweise wurde DNA entworfen, welche - anstatt der vier Standardbasen A,T,G und C - sechs Basen A, T, G, C, P und Z verfügt. Dabei steht bei diesen zwei neuen Basen P für 2-Amino-8-(1-beta-D-2'-deoxyribofuranosyl)imidazo[1,2-a]-1,3,5-triazin-4 (8H) und Z für 6-Amino-5-nitro3-(l'-p-D-2'-deoxyribofuranosyl)-2(1H)-pyridone.[21][22][23] Leconte et all erprobten systematisch die Realisierbarkeit der Inkorporation von 60 Basenkandidaten ( dies entspricht 3600 möglichen Basenpaaren) in die DNA.[24]

Neuartige Polymerasen

Weder XNA noch die unnatürlichen Basen werden von natürlichen Polymerasen erkannt. Eine der größten Herausforderungen besteht darin neuartige Polymerasetypen zu finden oder herzustellen um die Replikation dieser der Natur neuen Konstrukte zu ermöglichen. So wurde bereits eine modifizierte Variante der HIV-Reverse Transkriptase gefunden, welche eine PCR-Amplifikation von Oligonukleotiden, welche über einen dritten Basenpaartyp verfügt, zulässt. [25][26] Pinheiro et al (2012) demonstrierten, dass die Methode der Polymerasenevolution und des Polmerasedesigns zur erfolgreichen Speicherung und Wiederherstellung genetischer Information (von unter 100 bp Länge) führt. Dafür wurden, basierend auf einfacher unnatürlicher Nukleinssäurenarchitekturen (Xenonukleinsäuren), sechs alternative genetische Polymere verwendet.[27]

Genetic code engineering

Eines der Ziele der Xenobiologie ist die Umschreibung des universellen genetischen Codes. Der vielversprechenste Ansatz um den genetischen Code zu verändern ist die Neuzuordnung von seltenen Aminosäuren oder sogar unbenutzen Codons. [28] Das ideale Szenario ist es den genetischen Code um ein Codon zu erweitern und dieses somit frei von seiner alten Funktion, vollständig einer nichtkanonsichen Aminosäure (ncAA) zuzuordnen ("code expansion").

Da die Methoden dazu nur mit hohem Arbeitsaufwand implementiert werden können, ist es möglich einige Abkürzungen anzuwenden (“code engineering”). Beispielsweise können Bakterien, welche über eine Auxotrophie für bestimmte Aminosäuren besitzen, zu einem bestimmten Zeitpunkt, mit deren isostrukturellen Analoga versorgt werden, anstatt kanonischen Aminosäuren für welche sie eine auxotrophie besitzen, zuzugeben. Unter diesen Bedingungen werden die kanonischen Aminosäurereste in den nativen Proteinen von ihren nichtkanonischen Aminosäureanaloga ersetzt und in native Proteine eingefügt. Dabei ist es möglich sogar mehrere nichtkanonische Aminosäsuren in das selbe Protein zu inkorporieren.[29] Finally, the repertoire of 20 canonical amino acids can not only be expanded, but also reduced to 19.[30]

Durch die Neuzuordnung der Codons zu neuen Tranfer RNA (tRNA)/aminoacyl-tRNA synthetasen Paaren kann die Codonspezifizität geändert werden. Zellen, welche mit solchen aminoacyl-[tRNA synthetasen] ausgestatt sind, können [mRNA] Sequenzen lesen, welche für einen natürlichen Organismus mit einem natürlichen Translationsapperat unbrauchbar wären. [31] Altering the codon: tRNA synthetases pairs may lead to the in vivo incorporation of the non-canonical amino acids into proteins.[32][33] In der Vergangenheit geschah die Neuzordnung von Codons hauptsächlich nur in einem sehr limitierten Rahmen. 2003 gelang es Farren Isaac und Georg Church an der Harvard Universität alle 314 TAG Stopcodons im E. coli-Genom mit TAA Stopcodons zu ersetzen, wobei demonstriert wurde, dass ein solch massiver Austausch von Codons in höherwertigen E. coli Stämmen ohne letale Effekte durchgeführt werden kann. [34] Aufbauend auf diesem Erfolg des genomweiten Codonaustausches, führten die Autoren ihre Experimente fort und erreichten es 13 -im ganzen Genom verteilten- Codons zu reprogramieren, welche bei der Codierung von 42 essentiellen Genen eine Rolle spielen. [35]

Eine wesentlich radikalere Veränderung des genetischen Codes wurde erreicht indem die natürlichen Triplett-Codons des genetisches Codes durch Quadrupel-Codons ersetzt wurden. In einem zellfreien System erreichte Sisido sogar die Verwendung einer pentablen Codonstruktur.[36] Schultz erreichte dies sogar direkt in Bakterien.[37] Letzendlich ist es möglich nichtnatürliche Basen zu nutzen, um neuartige Aminosäuren in Proteine einzubringen.[38]

Gezielte Evolution

Eine weitere Möglichkeit DNA durch XNA zu ersetzen, wäre es, anstatt der genetischen Moleküle, gezielt die Zellumgebung zu verändern. Dieser Ansatz wurde bereits erfolgreich von Marliere und Mutzel demonstriert indem sie einen neuen E. coli Stamm herstellten, der über eine DNA Struktur verfügt, welche sich aus den Standardnukleotiden A, C und G sowie aus einen synthetischen Thyminanaloga zusammensetzt. Dabei wurde das Thyminanaloga 5-chlorouracil sequenzspezifisch an alle Positionen des natürlichen Thymins ins Genom eingebaut. Um zu wachsen sind diese Zellen von der externen Zugabe der Base 5-Chlorouracil abhängig aber verhalten sich ansonsten, wie normale E. coli Bakterien. Mit diesem Ansatz entstehen zwei Schutzebenen um jegliche zwischen nicht natürlichen und natürlichen Bakterien zu verhindern, da der Stamm über eine Auxotrophie für eine nicht-natürliche chemische Substanz besitzt und der Organismus ebenfalls eine DNA Form besitzt, welche von keinen anderen Organismen entschlüsselt werden kann.[39]

Biologische Sicherheit

Xenobiologische Systeme wurden designed um eine Orthogonalität von natürlichen biologischen Systemen zu unnatürlichen biologischen Systemen zu übermitteln. Ein (immernoch hypothetischer) XNA Organismus[40], welcher andere Basenpaare und Polymerasen besitzt, sowie einen veränderten genetischen Code verwendet, wird kaum in der Lage sein mit dem natürlichen Formen des Lebens zu interagieren. In diesem Sinne bilden xenobiologische Organismen eine genetische Sprachinsel, welche keinen Informationsaustausch mit natürlichen Zellen zulässt.[41] Die Veränderung des genetischen Apperates einer Zelle führt zu einem semantischem Containment, welches als Sicherheitskonzept - in Analogie zur Informationsprozessierung im IT Bereich - als eine genetische Firewall bezeichnet werden kann. [42][43] Dieses Konzept einer genetischen Firewall scheint mehrere Einschränkungen bestehender biologischer Sicherheitssysteme zu überwinden.[44][45] Einer der ersten experimentellen Beweise dieses theoretischen Konzepts wurde 2013 durch die Herstellung eines genomisch rekodierten Organismuses (GRO) erbracht. In diesem GRO wurden alle UAG Stopcodons in E.coli durch UAA Codons ersetzt, was es ermöglichte den Releasefaktor 1 aus dem Genom zu entfernen und die Translationfunktion des UAG Codons umzuordnen. Dieser GRO zeigte eine höhere Resistenz gegenüber T7 Bakteriophagen, was beweist, dass ein alternativer genetischer Code die genetische Kompatibilität reduziert.[46] Nichtsdestotrotz ist dieser GRO immernoch seinen natürlichen Vorgängern sehr ähnlich und verfügt noch nicht über eine "genetische Firewall". Die Möglichkeit eine hohe Zahl von Triplet-Codons neu zuordnen, ermöglicht es Stämme zu entwickeln, welche XNA, neue Basenpaare sowie neue genetische Codes kombinieren und somit keinerlei Information mit der natürlichen biologischen Welt austauschen können. Während eine genetische Firewall zur Implementierung von semantischen Containmentsystemen in neuartigen Organismen führen könnte, müssen die damit verbundenen neuartigen biochemischen Systeme auf neuartige Toxine und Xenobiotika untersucht werden. [47][48]

Regierungs- und Regulationsaspekte

Im regulatorische Rahmen könnte Xenobiologie zu neuen rechtliche Herausforderungen führen, wobei derzeitige Gesetze und Richtlinien sich zwar auf genetisch veränderte Organismen (GMOs) beziehen aber nicht chemisch oder genomisch modifizierte Organsimen erwähnen. Inbetrachtziehung, dass wirklich xenobiologische Organismen nicht in den nächsten Jahren erwartet werden können, haben politische Entscheidungsträger noch Zeit sich mit dieser Thematik hinsichtlich kommender Regierungsentscheidungen zu beschäftigen. Seit 2012 gibt es in der US entsprechende politische Berater[49], vier nationale Auschüsse für Biosicherheit in Europa[50] sowie die European Molecular Biology Organisation[51] um diese Thematik als Regierungsangelegenheit aufzuarbeiten.


[[Kategorie:Synthetische Biologie]][[Kategorie:Molekularbiologie]][[Kategorie:Biochemie]][[Kategorie:Technologie]] == Einzelnachweise == <references />

  1. ↑ aus englischem Wikipediaeintrag [1]übersetzt von Johann Bauerfeind, Version vom 18 Dez. 2013
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