Alternatívne biochémie sa pokúšajú preskúmať možnosť existencie organizmov fungujúcich pomocou iných chemických zlúčenín než pozemské organizmy. Všetky dosiaľ nám známe formy života používajú uhlík na svoje základné stavebné a metabolické funkcie, vodu ako rozpúšťadlo a DNA a/alebo RNA na svoje ovládanie a rozmnožovanie.Pace, Norman R. (2001), "The universal nature of biochemistry" Ide o vysoko špekulatívne teórie vzhľadom na to, že ešte nerozumieme ani mnohým mechanizmom uhlíkového života. V roku 2007 skupina vedcov zastrešená United States National Research Council vypracovala štúdiu, v ktorej zvažuje možnosť života založeného na alternatívnych biochémiách a plánujú ho hľadať v spolupráci s vesmírnymi agentúrami.Committee on the Limits of Organic Life in Planetary Systems, Committee on the Origins and Evolution of Life, National Research Council; The Limits of Organic Life in Planetary Systems; The National Academies Press, 2007; strana 5 Existencia alebo aspoň reálnosť týchto foriem biochémie nebola zatiaľ preukázaná. Mimozemské formy života založené na alternatívnych biochémiách sa bežne vyskytujú v sci-fi literatúre a filmoch.
Alternatívna chiralita biomolekúl thumb|right|200px|Optické izoméry 2,3,6,2',4'- pentachlórbifenylu Pravdepodobne najmenej neobyčajná alternatívna biochémia by bola založená na odlišnej chiralite jej biomolekúl. V nám známom živote sú všetky aminokyseliny v L forme a cukry v D forme. Molekuly s opačnou chiralitou majú rovnaké chemické vlastnosti ako ich zrkadlové formy, takže život založený na nich by bol možný, ale nebol by kompatibilný s organizmami s molekulami inej chirality. Vedú sa však spory, či by takýto život mal byť považovaný za novátorský a naozaj alternatívny.
Alternatívy v rámci uhlíkovej biochémie Alternatívne aminokyseliny
Objavili sa už aj pokusy začleniť do proteínov aminokyseliny, ktoré nám známe organizmy nepoužívajú. Všetky známe organizmy totiž obsahujú rovnakých 20 aminokyselín, niektoré začleňujú do proteínových reťazcov aj selenocysteín známy ako 21. proteinogénna aminokyselina a pyrolyzín známy ako 22. proteinogénna aminokyselina). Začlenením inej aminokyseliny ako jednej z 22 proteinogénnych aminokyselín vznikne alloproteín. Keďže v posttranslačnej fáze je to dosť náročné, používa sa na to zásah počas translačného mechanizmu. Potrebné sú dva základné kroky: k príslušnej tRNA pripojiť požadovanú aminokyselinu - na to sa používa enzým aminoacyl tRNA syntetáza (ligáza) v genetickom kóde (RNA) umiestniť na zamýšľané miesto triplet, ktorý kóduje túto tRNA. Najčastejšie sa na to používajú triplety, ktoré obvykle zastavujú transláciu (je ich viac, takže jeden z nich sa dá použiť na tieto účely), alebo štvorica báz.Wang, L.; Brock, A., Herberich, B., Schultz, P. G. (April 2001). "Expanding the Genetic Code of Escherichia coli". Science 292 (5516): 498–500. http://dx.doi.org/10.1126%2Fscience.1060077 Vložené aminokyseliny sa v súčasnosti využívajú na zmenu alebo skúmanie funkcie proteínu - môže mať rôzne požadované vlastnosti (napríklad byť fotoreaktívne, meniť farbu, fluoreskovať a podobne.Peter G. Schultz, Expanding the genetic code. http://www3.interscience.wiley.com/journal/109858221/abstract Prvé takéto úspešné vloženie novej aminokyseliny bolo realizované v roku 1990.Normanly, J; Kleina, L.G.; Masson, J.M.; Abelson, J.; Miller, J.H. (1990). "Construction of Escherichia coli amber suppressor tRNA genes. III. Determination of tRNA specificity". J. Mol. Biol. 213 (4): 719–726. http://dx.doi.org/10.1016%2FS0022-2836(05)80258-X
Alternatívne nukleové kyseliny Nukleové kyseliny sú reťazce pospájaných nukleotidov, ktoré nesú genetickú informáciu organizmu. Tie sa skladajú z troch častí: päťuhlíkatého cukru (sacharidu) (ribóza alebo deoxyribóza), fosfátového zvyšku a nukleovej bázy - adenínu, guanínu, cytozínu a tymínu (v prípade DNA), alebo uracilu (v prípade RNA). Každá z týchto zložiek môže byť zmenená, čo so sebou prináša iné možnosti väzby navzájom alebo zmenu priestorového tvaru celej molekuly (napríklad trojzávitnicu u PNA).Petersson B et al. Crystal structure of a partly self-complementary peptide nucleic acid (PNA) oligomer showing a duplex-triplex network. J Am Chem Soc. 2005 Feb 9;127(5):1424–30. Najčastejšie využitie netypickej bázy je zvyčajne ako fluorescenčná sonda pri detekcii a skúmaní nukleových kyselín, ale bolo vyvinutých už aj niekoľko liekov napríklad proti HIV, hepatitíde a ďalším, pričom novátorská zložka zvyčajne pôsobí ako terminátor replikácie vírusu v bunke.
Alternatívy kostry Cukorná a fosfátová zložka tvoria tzv. kostru nukleovej kyseliny. V prípade zmeny cukru je známych niekoľko zlúčenín, napríklad: LNA,Alexei A. Koshkin; Sanjay K. Singh, Poul Nielsen, Vivek K. Rajwanshi, Ravindra Kumar, Michael Meldgaard, Carl Erik Olsen, Jesper Wengel (1998). "LNA (Locked Nucleic Acids): Synthesis of the adenine, cytosine, guanine, 5-methylcytosine, thymine and uracil bicyclonucleoside monomers, oligomerisation, and unprecedented nucleic acid recognition". Tetrahedron 54 (14): 3607–30. http://dx.doi.org/10.1016%2FS0040-4020(98)00094-5 morfolín,Summerton J and Weller D. Morpholino Antisense Oligomers: Design, Preparation and Properties. Antisense & Nucleic Acid Drug Development 1997; 7:187-195. PNA.Nielsen PE, Egholm M, Berg RH, Buchardt O (December 1991). "Sequence-selective recognition of DNA by strand displacement with a thymine-substituted polyamide". Science 254 (5037): 1497–500. http://www.sciencemag.org/cgi/pmidlookup?view=long&pmid=1962210, prípadne GNAZhang Lilu, Peritz Adam, Meggers Eric (2005). "A simple glycol nucleic acid". J Am Chem Soc 127 (12): 4174–5. http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ja042564z?cookieSet=1 Napriek tomu, že ich chemická štruktúra je dosť odlišná od DNA alebo RNA, predsa sa na ňu viažu podľa Watson-Crickovho párovacieho pravidla. Nemôžu byť vytvorené enzymaticky, len umelými chemickými postupmi.
Iná náhrada cukrov v DNA alebo RNA - dideoxyribóza - sa síce viaže na DNA či RNA, ale kvôli neprítomnosti ďalšej väzbovej skupiny funguje ako terminátor reťazovej reakcie. Táto vlastnosť sa využíva pri sekvenovaní nukleových kyselín.Sanger, F., Nicklen, S., and Coulson, A. R. DNA sequencing with chain-terminating inhibitors. Proc Natl Acad Sci, 74(12):5463-7, 1977.
Alternatívne bázy Fluoreskujúce bázy: Pravdepodobne najpoužívanejšia a komerčne dostupná je 2-aminopurín (2-AP)Ward et al. Fluorescence Studies of Nucleotides and Polynucleotides I. Formycin 2-Aminopurine Riboside 2,6-Diaminopurine Riboside and Their Derivatives. J. Biol. Chem. 1969; 244: 1228–37., ale v poslednej dobe ich bolo vyvinutých veľké množstvo s rôznymi vlastnosťami.Sinkeldam et al. Fluorescent analogs of Biomolecular Building Blocks: Design, properties and applications. Chem. Rev. 2010; 110(5): 2579-2619. Používajú sa najmä ako sondy a ďalšie skúmanie mechanizmu polymerizácie DNA. Prírodné nepoužívané bázy: Ide najmä o modifikácie štandardných báz (napr. inozín, pseudouridín, dihydrouridín, queuozín, wyozín a podobne). Pri prepise genetickej informácie nie sú používané.
Alternatívy párovania báz Zatiaľ nie je známe prečo sú v prírode používané len štyri nukleotidy. Podarilo sa už vyvinúť niekoľko novátorských spôsobov párovania báz. Napríklad tymín je schopný namiesto adenínu sa viazať s diaminopurínom (DAP) a to dokonca silnejšie než s adenínom.Kirnos MD, Khudyakov IY, Alexandrushkina NI, Vanyushin BF. 2-aminoadenine is an adenine substituting for a base in S-2L cyanophage DNA. Nature. 1977 Nov 24;270(5635):369–70. Podobne sa môžu viazať izoguanín s izocytozínom.Johnson SC et al. A third base pair for the polymerase chain reaction: inserting isoC and isoG. Nucleic Acids Res. 2004 Mar 29;32(6):1937–41. Počet možných párovaní sa zvýši za použitia xDNA, kde sa využíva osem nukleotidov.Lynch, Stephen R.; Haibo Liu, Jianmin Gao, and Eric T. Kool (October 2006). "Toward a Designed, Functioning Genetic System with Expanded-Size Base Pairs: Solution Structure of the Eight-Base xDNA Double Helix". Journal of the American Chemical Society 128 (45): 14704–14711. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2519095/
Párovanie pomocou iónov kovov Pri tomto type párovania sú vodíkové väzby nahradené interakciou medzi iónom kovu a nukleozidom. Začlenenie iónov kovov do DNA jej pridalo rôzne magnetickéH. Zhang, A. Calzolari, R. Di Felice. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 15345–15348. a vodivé vlastnosti.P. Aich, R. J. S. Skinner, S. D. Wettig, R. P. Steer, J. S. Lee.Biomol. Struct. Dyn. 2002, 20, 93–98. Aj prírodné bázy sú schopné viazať sa s iónmi kovov - napríklad formácia T-Hg-T.E. Buncel, C. Boone, H. Joly, R. Kumar, A. R. J. Norris, Inorg. Biochem.198525, 61–73
Neuhlíkové biochémie Vedci uvažujú o použití iných prvkov, ako je uhlík na vytvorenie molekulárnych štruktúr potrebných pre život, ale zatiaľ nikto nepredložil teóriu, ktorá by tento problém riešila. Keďže nám známy život je vytvorený výhradne z uhlíka a nikdy nebol objavený život mimo Zeme, presadzovanie názoru, že život je možný len na základe uhlíka je považované za tzv. uhlíkový šovinizmus.
Kremíková biochémia thumb|right|200px|Atóm kremíka s elektrónmi Za najnádejnejšiu alternatívnu biochémiu je považovaná biochémia používajúca kremík. Má mnoho vlastností podobných uhlíku a je v tej istej skupine v periodickej tabuľke prvkov zvanej uhlíková skupina. Podobne ako uhlík môže tvoriť veľké molekuly nesúce biologickú informáciu. Avšak kremík má proti uhlíku niekoľko nevýhod. Chýba mu schopnosť tvoriť väzby s rôznymi druhmi atómov, ktoré umožňujú metabolické procesy. Uhlík reaguje s vodíkom, kyslíkom, dusíkom, fosforom, sírou a kovmi ako železo, magnézium a zinok. Kremík reaguje s veľmi málo inými prvkami, pričom tieto molekuly je možné popísať ako monotónne v porovnaní s pestrosťou uhlíkových makromolekúl. Je to preto, lebo atómy kremíka sú väčšie, ťažšie, majú väčší atómový polomer a preto ťažšie vytvárajú kovalentné väzby.Pace, NR (2001). "The universal nature of biochemistry.". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 98 (3): 805–8. Silány (zlúčeniny kremíka a vodíka) sú analogické uhľovodíkovým alkánom. S vodou sú vysoko reaktívne a ak aj vytvoria dlhé reťazce, tie sa spontánne rozpadajú. Molekuly používajúce polyméry z kremíkových a kyslíkových atómov (namiesto väzieb len medzi atómami kremíka) sú známe ako silikóny a sú oveľa stabilnejšie. Predpokladá sa, že chémia založená na silikónoch by bola stabilnejšia ako ekvivalentná uhľovodíková biochémia v prostredí bohatom na kyseliny na báze fosforu, aké sa našlo v niektorých oblastiach vesmíru. Avšak komplexné dlhé silikónové molekuly sú stále menej stabilné ako ich uhlíkové náprotivky. Organizmus na báze kremíka, ak by dýchal kyslík, by pravdepodobne vylučoval ako vedľajší produkt oxid kremičitý (SiO2) - podobne ako uhlíkové organizmy vylučujú oxid uhličitý - CO2. Tento by však bol v tuhom stave a zanášal by dýchacie orgány pieskom. Dalo by sa to vyriešiť, ak by organizmy žili v prostredí s teplotami niekoľko stoviek až tisíc stupňov, kde by bol SiO2 tekutý, ale otázne je, ako by tam existoval samotný organizmus.Gillette, Stephen. World-Building. Writer's Digest Books.
Pri testovaní molekúl v medzihviezdnom priestore 84 z nich bolo uhlíkových a len 8 kremíkových. Navyše 4 z nich aj tak obsahovali uhlík. Pomer uhlíka ku kremíku vo vesmíre je približne 10 k 1. Dá sa očakávať, že väčšia rozmanitosť uhlíkových komponentov vo vesmíre poskytuje menšiu základňu na vybudovanie kremíkových biochémií.Lazio, Joseph. "F.10 Why do we assume that other beings must be based on carbon? Why couldn't organisms be based on other substances?". [sci.astro] ET Life (Astronomy Frequently Asked Questions).