Xenobiologie (XB) ist eine Teildisziplin der synthetischen Biologie, die sich mit der Synthese und der Manipulation komplexer biologischer Schaltkreise und Systeme beschäftigt. Die Vorsilbe stammt von ab, was anzeigt, dass Xenobiologie biologische Formen beschreibt, die der Wissenschaft bisher unbekannt oder nicht natürlichen Ursprungs sind. In experimenteller Praxis bezeichnet die Xenobiologie neuartige biologische und biochemische Systeme, die sich von dem kanonischen DNA-RNA-20 Aminosäurensystem unterscheiden (siehe dazu Zentrales Dogma der Molekularbiologie). In diesem Sinne werden in der Xenobiologie in den natürlichen DNA- und RNA-Molekülen die Nukleinbasen durch Nicht-Standard-Basen ersetzt (Nukleinsäure-Analoga) und/oder die Zucker Ribose (bei RNA) bzw. Desoxyribose (bei DNA) durch geeignete Substituenten ausgetauscht (Xenonukleinsäuren, XNA). Ebenfalls fokussiert sich Xenobiologie auf die Erweiterung des genetischen Codes und den Einbau nichtproteinogener Aminosäuren (nichtkanonische Aminosäuren) in Proteine.
Abgrenzung zwischen Xeno-, Exo- und Astrobiologie Das Präfix astro- (von ) besitzt als Bestimmungswort die Bedeutung Gestirn-, Stern-, Weltall,Duden: Astro wobei Exo (von ) als Bestimmungswort der Bedeutung außen, außerhalb zugeordnet wird.Duden: Exo Exobiologie und Astrobiologie beschäftigen sich mit der möglichen Existenz und Entstehung von außerirdischem Leben und der allgemeinen Suche nach Leben im All, wobei sich dabei das Interesse meist auf Planeten in der habitablen Zone konzentriert. Im Gegensatz zu Astrobiologen, die versuchen, mögliches extraterrestrisches Leben im Universum zu detektieren und zu analysieren, beschäftigen sich Xenobiologen mit dem Versuch, Lebensformen mit grundlegend anderer Biochemie oder abweichendem genetischen Code auf der Erde zu entwickeln.
Ziele der Xenobiologie Die Xenobiologie hat den Anspruch, fundamentale Prinzipien der Biologie und Wissen über den Ursprung des Lebens aufzudecken. Um diesen besser zu verstehen, ist es wichtig, herauszufinden, warum sich das Leben (höchstwahrscheinlich) über eine frühe RNA-Welt (oder ein RNA-Protein-System, auch Ribonukleoprotein-Welt oder RNP-Welt genannt) zum heutigen DNA-RNA-Protein-System mit einem universellen genetischen Code entwickelt hat. In diesem Zusammenhang stehen die Fragen, ob das Leben ein evolutiver „Zufall“ war oder ob bestimmte selektive Zwänge existierten, die eine andere Biochemie des Lebens von Anfang an ausschlossen. Durch das Erzeugen alternativer biochemischer „Ursuppen“ wird erwartet, fundamentale Prinzipien zu ergründen, die zur Entwicklung 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 des Biopolymer Engineerings und der Pathogenresistenzen geschaffen werden. Der genetische Code kodiert in allen Organismen 20 kanonische Aminosäuren, die zur Proteinbiosynthese verwendet werden. In seltenen Fällen werden darüber hinaus die speziellen Aminosäuren Selenomethionin, Selenocystein und Pyrrolysin durch zusätzliche Translationskomponenten in Proteine eingebaut. Es gibt jedoch 700 weitere Aminosäuren, die in der Biochemie bekannt sind und deren Eigenschaften man nutzen könnte, um das Potential von Proteinen im Hinblick auf effizientere katalytische Funktionen oder Materialeigenschaften zu verbessern. Das EU-geförderte Projekt METACODE beispielsweise verfolgt das Ziel, die Metathese - ein nützlicher katalytischer Vorgang, der in lebenden Organismen bisher unbekannt ist - in Bakterienzellen zu etablieren. Weiteres Potential für die Verbesserung von Produktionsprozessen durch die Xenobiologie liegt in der Möglichkeit, das Risiko von Viren- oder Bakteriophagenbefall während der Kultivierung zu minimieren. Xenobiologische Zellen eigneten sich nicht mehr als Wirte für Viren und Phagen (Bakterienviren), da sie durch eine sogenannte „semantische Eindämmung“ eine höhere Resistenz aufweisen.
Xenobiologie ermöglicht die Entwicklung neuartiger Systeme der Eindämmung genetisch modifizierter Organismen (Biocontainment). Dabei wird das Ziel verfolgt, mit einer „genetischen Firewall“ derzeitige Eindämmungsansätze zu verstärken und zu diversifizieren. Ein vielfach angeführter Kritikpunkt an der traditionellen Gentechnik und Biotechnologie ist die Möglichkeit des horizontalen Gentransfers von gentechnisch veränderten Organismen in die Umwelt und daraus entstehende potentielle Risiken für die Natur und die menschliche Gesundheit. Eine der Hauptideen der Xenobiologie ist es nun, alternative genetische Codes und biochemische Grundbausteine zu entwickeln, sodass ein horizontaler Gentransfer nicht länger möglich ist. Eine veränderte Biochemie würde neue synthetische Auxotrophien ermöglichen und diese nutzen, um orthogonale biologische Systeme zu erzeugen, die nicht länger kompatibel mit den natürlichen genetischen Systemen sind.
Wissenschaftlicher Ansatz Die Xenobiologie verfolgt das Ziel, biologische Systeme zu konstruieren und herzustellen, die sich von ihren natürlichen Vorlagen auf einer oder mehreren fundamentalen Ebenen unterscheiden. Im Idealfall wären diese neuartigen Lebewesen in jedem möglichen biochemischen Aspekt unterschiedlich und enthielten einen sehr stark abgeänderten genetischen Code. Das Langzeitziel ist es, eine Zelle zu entwickeln, die ihre genetische Information nicht mehr in DNA speichert und mit 20 Aminosäuren übersetzt, sondern in alternativen Informationsträger-Polymeren, die aus XNA, alternativer Basenpaarung und nichtkanonischen Aminosäuren (d. h. einem veränderten genetischen Code) bestehen. Bislang gelang es nur, Zellen zu erzeugen, die eine oder zwei der genannten Eigenschaften implementiert hatten.
Xenonukleinsäuren (XNA)
Ursprünglich entstand die Forschung nach alternativen DNA-Formen aus der Frage nach der Entstehung des Lebens sowie warum RNA und DNA durch die (chemische) Evolution den Vorzug vor anderen möglichen Nukleinsäurestrukturen erhielten. Eine systematische Untersuchung, die auf die Diversifizierung der chemischen Nukleinssäurenstruktur abzielte, resultierte in völlig neuartigen informationstragenden Biopolymeren. Bisher wurden mehrere XNAs mit neuem chemischen Grundgerüst oder neuartigen Nukleobasen synthetisiert, zum Beispiel hexose nucleic acid (HNA), threose nucleic acid (TNA), glycol nucleic acid (GNA) und cyclohexenyl nucleic acid (CeNA). Der Einbau von XNA in ein Plasmid in Form von drei HNA-Codons wurde bereits 2003 erfolgreich durchgeführt. Diese Xenonukleinsäuren werden bereits in vivo in Escherichia coli als Vorlage für die DNA-Synthese genutzt. Dabei wurden eine binäre genetische Kassette (G/T) und zwei Nicht-DNA-Basen (Hx/U) verwendet. Während der Einbau von CeNA ebenfalls erfolgreich durchgeführt werden konnte, scheiterte bisher jeder Versuch, GNA als Rückgrat zu verwenden, da in diesem Fall zu große Unterschiede zum natürlichen System bestehen, um als Matrize für die Biosynthese von DNA durch die natürliche Maschinerie zu dienen.
Erweiterung des genetischen Alphabetes Während XNA auf Modifikation im Polymerrückgrat oder an den Nukleobasen basiert, zielen andere Versuche darauf ab, das natürliche Alphabet der DNA bzw. RNA auszutauschen oder mit unnatürlichen Basenpaaren (, UBP) zu erweiternKyung Hyun Lee, Kiyofumi Hamashima, Michiko Kimoto, Ichiro Hirao: Genetic alphabet expansion biotechnology by creating unnatural base pairs, in: Current Opinion in Biotechnology, Volume 51, Juni 2018, S. 8–15, ScienceDirect, ResearchGate, PMID 29049900, doi:10.1016/j.copbio oder komplett zu ersetzen (Nukleinsäre-Analoga). Zum Beispiel wurde DNA hergestellt, die statt der vier Standardnukleobasen (A, T, G und C) ein erweitertes Alphabet mit 6 Nukleobasen (A, T, G, C, dP und dZ) enthielt. Dabei steht bei diesen zwei neuen Basen dP für -8---- und dZ für 6-Amino-5-nitro-3-(1′-β-D-2′-desoxyribofuranosyl)-2(1H)-pyridon.A. M. Sismour, S. Lutz, J. H. Park, M. J. Lutz, P. L. Boyer, S. H. Hughes, S. A. Benner: PCR amplification of DNA containing non-standard base pairs by variants of reverse transcriptase from Human Immunodeficiency Virus-1. In: Nucleic Acids Research. Band 32, Nummer 2, 2004, S. 728–735, doi:10.1093/nar/gkh241, PMID 14757837, .Z. Yang, D. Hutter, P. Sheng, A. M. Sismour und S. A. Benner: Artificially expanded genetic information system: a new base pair with an alternative hydrogen bonding pattern. (2006) Nucleic Acids Res. 34, S. 6095–6101. Z. Yang, A. M. Sismour, P. Sheng, N. L. Puskar, S. A. Benner: Enzymatic incorporation of a third nucleobase pair. In: Nucleic Acids Research. Band 35, Nr 13, 2007, S. 4238–4249, doi:10.1093/nar/gkm395, PMID 17576683, . In einer systematischen Studie untersuchten Leconte et al. die mögliche Einbaubarkeit von 60 Basenkandidaten (dies entspräche 3600 möglichen Basenpaaren) in die DNA.
Im Jahr 2006 wurden erstmals eine DNA mit um eine Benzolgruppe bzw. eine Naphthylgruppe erweiterten Basen untersucht (je nach Stellung der Erweiterungsgruppen entweder xDNA bzw. xxDNA oder yDNA bzw. yyDNA genannt).S. R. Lynch, H. Liu, J. Gao, E. T. Kool: Toward a designed, functioning genetic system with expanded-size base pairs: solution structure of the eight-base xDNA double helix. In: Journal of the American Chemical Society. Band 128, Nr. 45, November 2006, S. 14704–14711, doi:10.1021/ja065606n. PMID 17090058. . Diese erweiterten Basenpaare, die auf der Chemie eines natürlichen DNA-Rückgrats existieren, könnten jedoch wahrscheinlich in begrenztem Rahmen wieder in natürliche DNA umgewandelt werden.
Yorke Zhang et al. berichteten zur Jahreswende 2016/2017 über halbsynthetische Organismen mit einer DNA, die um die Basen X (alias NaM) und Y' (alias TPT3) bzw. die Nukleotide (Desoxyribonukleotide) dX (dNaM) und dY' (dTPT3) erweitert wurde, die miteinander paaren. Vorausgegangen waren Versuche mit Paarungen auf Basis der Basen X und Y (alias 5SICS), d. h. der Nukleotiden dX und dY (alias d5SICS).Yorke Zhang, Brian M. Lamb, Aaron W. Feldman, Anne Xiaozhou Zhou, Thomas Lavergne, Lingjun Li, Floyd E. Romesberg: A semisynthetic organism engineered for the stable expansion of the genetic alphabet, in: PNAS February 7, 2017, 114 (6), S. 1317–1322; first published January 23, 2017, doi:10.1073/pnas.1616443114, Hrsg.: Clyde A. Hutchison III, The J. Craig Venter Institutescinexx: Forscher züchten „Frankenstein“-Mikrobe, vom 24. Januar 2017
Anfang 2019 wurde über DNA und RNA mit jeweils acht Basen (vier natürliche und vier synthetische) berichtet, die sich alle paarweise einander zuordnen (Hachimoji-DNA).Shuichi Hoshika, Nicole A. Leal, Myong-Jung Kim, Myong-Sang Kim, Nilesh B. Karalkar, Hyo-Joong Kim, Alison M. Bates, Norman E. Watkins Jr., Holly A. SantaLucia, Adam J. Meyer, Saurja DasGupta, Joseph A. Piccirilli, Andrew D. Ellington, John SantaLucia Jr., Millie M. Georgiadis, Steven A. Benner: Hachimoji DNA and RNA: A genetic system with eight building blocks. Science 363 (6429), 22. Februar 2019; S. 884–887. doi:10.1126/science.aat0971.
Neuartige Polymerasen Weder XNA noch die unnatürlichen Basen werden von natürlichen Polymerasen erkannt. Demnach ist eine der größten Herausforderungen die Entwicklung und Herstellung neuartiger Polymerasetypen, die in der Lage sind, diese neuartigen Strukturen zu replizieren. So wurde bereits eine modifizierte Variante der HIV-Reverse Transkriptase entdeckt, die imstande war, in einer PCR-Amplifikation ein Oligonukleotidamplifikat zu erzeugen, das ein zusätzliches drittes Basenpaar enthielt.