Ksenobiologija (KB) je istraživačko područje u okviru sintetičke biologije, koje proučava i istražuje mogućnosti sinteze i manipulacije biološkim komponentama i sustavima. Ime ksenobiologija izvodi se od grčkog xenos, što znači „stranac“ ili „gost“. Drugim riječima, XB opisuje oblik biologije koji je još uvijek nepoznat znanosti, te opisuje biokemijska svojstva i sustave koji ne postoje u organskoj prirodi. U praksi to znači kako se radi o sustavima koji ne funkcioniraju s temeljnim kemijskim strukturama ili elementima (npr. DNK-RNK/20 kanonskih amino kiselina) koji su nam poznati iz „klasične“ centralne dogme molekularne biologije. Na primjer, umjesto da DNK i RNK, XB istražuje analoge nukleinskih kiselina, tzv. kseno nukleinskih kiselina (XNA) kao nositelja informacija.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 Također se bavi na proširenjem ili ekspanzijom genetičkog kodaBain, 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 kao i ugradnom nekanonskih ili neproteinogenih aminokiselina u 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
Razlike između kseno-, egzo- i astro- Astro znači zvijezda i exo znači izvan. Oboje, i egzobiologija i astrobiologija traže život koji je evoluiralo negdje u svemiru uglavnom na drugim planetima u prvom redu onima u Goldilockovim zonama. Dok se astrobiolozi bave otkrivanjem i analizom (hipotetički) postojećeg života negdje drugdje u svemiru, ksenobiologija pokušava osmisliti oblike života s drugačijim kemijskim osnovama ili genetičkim kodovima od onih koje poznajemo na planeti Zemlji.Schmidt M. Xenobiology: a new form of life as the ultimate biosafety tool Bioessays Vol 32(4):322-331
Ciljevi ksenobiologije Ksenobiologija može s jedne strane doprinijeti produbljivanju naših temeljih znanja o biologiji i podrijetlu života ali može donijeti i neke temeljno nove spoznaje po tim pitanjima. Kako bi bolje razumjeli podrijetlo života, potrebno je znati zašto su se rane životne forme razvile baš od RNA svijeta sve do DNA - RNA - protein sustava i kako je uspostavljen (skoro) univerzalni genetički kod.Pace NR. 2001. The universal nature of biochemistry. Proc Natl Acad Sci USA 98: 805–8. Je li to bio evolucijski „slučaj“ ili „udes“ ili možda postoje nužna ograničenja koja ne dopuštaju druge vrste kemija od onih koje poznajemo? Testiranjem alternativne biokemijske „primordijarne juhe“, očekuje se kako ćemo bolje razumjeti kemijska načela koja su ugrađena u život kakvog poznajemo. Ksenobiologija ima i praktične potencijale za razvoj industrijskih proizvodnih sustava s novim mogućnostima npr. inženjerstvo bolje i efikasnije biotehnološke sinteze raznih polimera ili dizajn otpornosti patogena. Najbolji primjer koji ilustrira te mogućnosti jest inženjerstvo genetičkog koda. U svim živim bićima proteini su izgrađeni od 20 kanonskih aminokiselina (kAK) „propisanih“ genetičkim kodom. U rijetkim slučajevima, translacijski aparat nekih organizama ugrađuje u pojedine proteine i specijalne aminokiseline kao što su selenocistein, pirolizin i selenometionin.Wiltschi, B. and N. Budisa, Natural history and experimental evolution of the genetic code. Applied Microbiology and Biotechnology, 2007. 74: p. 739-753 Također je poznato preko 300 prirodnih neproteinogenih amino kiselina izoliranih mahom iz raznih biljaka, bakterija i kvasaca, ne računajuci tu i one koje su antropogeno pripravljene u raznim laboratorijama u posljednjih stotinjak godina. Prirodne i umjetne neproteinogene aminokiseline nazivamo skupno - „nekanonske aminokiseline“; nkAK. Ako bismo bili u stanju „ubaciti“ neke od tih nkAK u proteinsku sintezu - lako je predvidjeti kako bi se svojstva sintetiziranih proteina mogla i radikalno promijeniti te dovesti do npr. učinkovitije katalize ili novih materijalnih funkcija. Tako npr. EU-Projektu (FP7) METACODE (koji koordinira Nediljko Budiša s Tehničkog Sveučlišta u Berlinu) cilj je uključiti klasičnu reakciju, poznatu samo u organskoj kemiji – olefinsku metatezu – u kemiju žive stanice tj. bakterije Escherichie coli (i na taj način obogatiti temeljnu kemiju života). Još jedan praktični razlog upotrebe XB stanica jest mogućnosti poboljšanja procesa proizvodnje smanjujući pri tome rizik od virusnih (npr. bakteriofagnih) kontaminacija pri raznim fermentacijama. To je plauzabilno, jer kemija života XB stanice više nije ista kao kod stanica iz „staroga biološkog svijeta“. Na taj način, XB-stanice nisu dobri domaćini raznim virusima (specijaliziranim za stanice „staroga biološkog svijeta“) što ih čini otpornim („zatvorenim“) na moguće kontaminacije ili infekcije. Ksenobiologija nudi i mogućnost implementacije posebnog sustava genetičke sigurnosti stvaranjem umjetne genetičke barijere - genetičke ogradnje (u engleskom govornom području rabi se izraz: genetic firewall). Radi se o ideji da se izgradi jedna vrsta zatvorenosti ili „zida“ koji bi onemogućio izmjenu genetičkih informacija između XB-stanica i stanica živoga svijeta. Jedan od glavnih problema tradicionalne genske tehnike (npr. GMOs) i molekularne biotehnologije jest tzv. „genetička kontaminacija“ uzrokovana vodoravnim prijenosom gena (jer su sva živa bića bazirana na istoj temeljnoj kemiji i genetici!) - što može predstavljati mogući rizik i za okoliš i za zdravlje ljudi. U tome kontekstu, jedna od važnih ideja u XB jest stvoriti alternativne genetičke kodove i biokemijske cikluse, tako da bi vodoravni prijenos gena bio otežan pa čak i onemogućen (a time i sama „genetička kontaminacija“). Osim toga, alternativni biokemijski ciklusi bi također trebali omogućiti stvaranje novih sintetičkih auksotrofija – kao dodatne komponente biološke sigurnosti. U osnovi je ideja da se stvori ortogonalni biološki sustav koji bi bio inkompatibilan s prirodnim genetičkim sustavima.Herdewijn P, Marlière P. Toward safe genetically modified organisms through the chemical diversification of nucleic acids.Chem Biodivers. 2009 Jun;6(6):791–808.
Znanstveni pristup Ksenobiologija ima za cilj projektirati i izgraditi takve biološke sustave koji se bitno razlikuju od prirodnih živih bića na jednoj ili više temeljnih razina kompleksnosti. U idealnom slučaju, prirodi-novi (engleski: new-to nature) organizmi će biti bitno drukčiji u pogledu temeljne biokemije te bi trebali imati i potpuno različit genetički kod. Drugim riječima, trebali bi „pričati drugim jezikom“ pa se može govoriti i o biosemantičkoj ogradnji (engleski: semantic containment) prema živim bićima s prirodnom evolucijskom poviješću. Dugoročni cilj je, među ostalim, i izgraditi stanicu koja neće pohraniti svoje genetičke informacije DNA-formi već u alternativnom informacijskom polimeru. Jedan primjer takvih polimera su tzv. kseno nukleinske kiseline (XNA), koje se sastoje kemijski različitih baznih parova, alternativnih okosnica i šećernih jedinica – a koji bi se u budućnosti mogli koristiti u sintetičkom živom sustavu s nekanonskim aminokiselinama i promijenjenim/alternativnim genetičkim kodom. Sva dosadašnja istraživanja su pokazala (na razini dokaza; engleski: proof-of-principle) da je moguće u žive stanice ugraditi (doduše u vrlo ograničenom obimu) jednu od te dvije mogućnosti.
Kseno nukleinske kiseline (XNA) Izvorno, u osnovi istraživanja alternativnih kemijskih oblika DNA bilo je pitanje kako se život razvio na Zemlji i zašto su se RNA i DNA nametnule tijekom kemijske evolucije kao glavni nosioci genetičke informacije iako su i druge strukture nukleinskih kiselina moguće.Eschenmoser, A. (1999) Chemical etiology of nucleic acid structure. Science. 284, 2118–2124. Sustavnim eksperimentalnim radom nedvojbeno je dokazano kako je moguće diverzificirati kemijsku strukturu nukleinskih kiselina i složiti potpuno nove informacijske biopolimere. Do sada, broj XNA s novim kemijskim okosnicama ili drugim osobitostima u kemijskoj strukturi je impresivan,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 npr. „heksozne nukleinske kiseline“ (HNA), „treozne nukleinske kiseline“ (TNA),Ichida JK, Horhota A, Zou K, et al. (2005). High fidelity TNA synthesis by Therminator polymerase. Nucleic Acids Res 33: 5219–25 „glikolne nukleinske kiseline“ (GNA) ili „cikloheksenilne nukleinske kiseline“ (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 Već u 2003 je pokazano ugrađivanje XNA komponenti (npr. 3 HNA kodona ili tripleta) u prirodne DNA-vektore za gensku ekspresiju kao što su plazmidi.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 Ovaj XNA-DNA hibrid je korišten in vivo (E. coli ) kao templat za sinetzu DNA. Ostale komponente (npr. GNA, CeNA) su još uvijek poprilično inkompatibilne s prirodnim biološkim sustavima, da bi se u tome kontekstu mogle koristiti kao predložci za sintezu gena.Pezo V. et al. (2012). Binary Genetic Cassettes for Selecting XNA-Templated DNA Synthesis In Vivo. Angew Chem. 52: 8139–8143 U izvjesnoj mjeri, nekanonski bazni parovi se mogu ugraditi u prirodnu DNA okosnicu pa čak i transliterirati u prirodnu DNA.Krueger AT. et al. (2011). Encoding Phenotype in Bacteria with an Alternative Genetic Set. J. Am. Chem. Soc. 133 (45):18447–18451
Prošireni genetički alfabet