Xenonukleinsyrer ( engelsk Xeno nucleic acids , XNA) er syntetiske analoger af nukleinsyrer, der har en sukkerrygrad, der er forskellig fra de naturlige nukleinsyrer i DNA og RNA [1] . Fra 2011 har mindst seks typer syntetiske sukkerarter vist sig at danne nukleinsyrerygrad, der kan lagre og hente genetisk information. I øjeblikket er der forskning i gang for at skabe syntetiske polymeraser til XNA-transformation. Studiet af dets produktion og anvendelse har skabt det felt kendt som xenobiology .
Selvom genetisk information stadig er lagret i fire kanoniske basepar (i modsætning til andre nukleinsyreanaloger ), kan naturlige DNA-polymeraser ikke læse og duplikere denne information. Den genetiske information, der er lagret i XNA, er således "usynlig" og derfor ubrugelig for naturlige DNA-baserede organismer [2] .
Strukturen af DNA blev opdaget i 1953. Omkring begyndelsen af 2000'erne skabte forskere en række eksotiske DNA-lignende strukturer, XNA. XNA er en syntetisk polymer, der kan bære den samme information som DNA, men med forskellige molekylære komponenter. "X"et i XNA står for "xeno", hvilket betyder "fremmed" eller "fremmed", hvilket indikerer en forskel i molekylær struktur sammenlignet med DNA eller RNA [3] .
Der blev ikke gjort meget med XNA, før der blev udviklet et specielt polymeraseenzym , der kunne kopiere XNA fra DNA-skabelonen og også kopiere XNA tilbage til DNA [4] . Pinheiro et al. (2012) har for eksempel demonstreret en sådan XNA-kapabel polymerase, der virker med ~100 bp sekvenser. [5] For nylig lykkedes det for syntetiske biologer Philip Holliger og Alexander Taylor at skabe XNA-vintre, XNA-ækvivalenten til et ribozym , enzymer sammensat af DNA eller ribonukleinsyre. Dette viser, at XNA'er ikke kun lagrer arvelig information, men også kan tjene som enzymer, hvilket øger muligheden for, at liv andre steder kunne have startet fra noget andet end RNA eller DNA [6] .
Strenge af DNA og RNA dannes ved at sammenkæde lange kæder af molekyler kaldet nukleotider . Et nukleotid består af tre kemiske komponenter: fosfat , en sukkergruppe med fem kulstofatomer (det kan enten være deoxyribosesukker - som giver os bogstavet "D" i DNA, eller ribosesukker - bogstavet "P" i RNA). og en af de fem standardbaser ( adenin , guanin , cytosin , thymin eller uracil ).
De molekyler, der går sammen for at danne de seks xenonukleinsyrer, er næsten identiske med dem i DNA og RNA, med én undtagelse: I XNA - nukleotiderne er deoxyribose- og ribosesukkergrupperne i DNA og RNA blevet erstattet af forskellige kemiske strukturer. Disse substitutioner gør XNA funktionelt og strukturelt lig DNA og RNA, på trods af at det er unaturligt og kunstigt.
XNA udviser mange strukturelle og kemiske ændringer sammenlignet med dets naturlige modstykker. Typer af syntetiske XNA'er skabt indtil videre omfatter: [7]
HNA har potentialet til at fungere som et lægemiddel, der kan genkende og binde sig til specifikke sekvenser. Forskere har været i stand til at isolere HNA for mulige bindingssekvenser rettet mod HIV [8] . Undersøgelser har vist, at med cyclohexennukleinsyre kan CeNA med stereokemi svarende til D-formen skabe stabile duplekser med sig selv og RNA. Det har vist sig, at CeNA'er ikke er så stabile, når de danner duplekser med DNA [9] .
Studiet af XNA er ikke beregnet til at give forskere en bedre forståelse af biologisk evolution , som den er sket historisk, men snarere at udforske måder, hvorpå vi kan kontrollere og endda omprogrammere den genetiske sammensætning af biologiske organismer i fremtiden. XNA har vist et betydeligt potentiale til at løse det presserende problem med genetisk forurening af genetisk modificerede organismer [10] . Mens DNA er utroligt effektivt i sin evne til at lagre genetisk information og give kompleks biodiversitet, er dets genetiske alfabet på fire bogstaver relativt begrænset. Brugen af en genetisk kode på seks XNA'er i stedet for de fire naturligt forekommende nukleotidbaser af DNA giver uendelige muligheder for genetisk modifikation og udvidelse af kemisk funktionalitet [11] .
Udviklingen af forskellige hypoteser og teorier om XNA har ændret en nøglefaktor i vores nuværende forståelse af nukleinsyrer: arvelighed og evolution er ikke begrænset til DNA og RNA, som man engang troede, men er simpelthen processer, der er udviklet fra polymerer, der er i stand til at lagre information [12] . XNA-studier vil give forskere mulighed for at vurdere, om DNA og RNA er de mest effektive og ønskværdige byggesten i livet, eller om disse to molekyler blev tilfældigt udvalgt efter evolution fra en bredere klasse af kemiske forfædre [13] .
En teori for brugen af XNA er dets inddragelse i medicin som et middel til at bekæmpe sygdom. Nogle enzymer og antistoffer , der i øjeblikket administreres til behandling af forskellige sygdomme, nedbrydes for hurtigt i maven eller blodbanen. Fordi XNA er fremmed, og det menes, at mennesker endnu ikke har udviklet enzymerne til at nedbryde det, kan XNA tjene som en mere pålidelig pendant til de DNA- og RNA-baserede terapier, der i øjeblikket er i brug [14] .
Eksperimenter med XNA har allerede gjort det muligt at erstatte og udvide dette genetiske alfabet, og XNA har demonstreret komplementaritet til DNA- og RNA-nukleotider, hvilket tyder på muligheden for dets transkription og rekombination. Et eksperiment ved University of Florida resulterede i generering af en XNA aptamer af AEGIS-SELEX (kunstigt forstærket genetisk informationssystem - systematisk ligandudvikling ved eksponentiel berigelse) efterfulgt af vellykket binding til en brystkræftcellelinje [15] . Derudover viste eksperimenter på modelbakterien E. coli XNA's evne til at tjene som en biologisk skabelon for DNA in vivo [16] .
Efterhånden som genetisk forskning i XNA skrider frem, skal forskellige spørgsmål vedrørende biosikkerhed , biosikkerhed , etik og styring/regulering overvejes [7] . Et af nøglespørgsmålene her er, om XNA in vivo vil blandes med DNA og RNA i dets naturlige miljø, og dermed fratage videnskabsmænd evnen til at kontrollere eller forudsige dets konsekvenser i en genetisk mutation [17] .
XNA har også potentielle anvendelser som en katalysator , svarende til hvordan RNA kan bruges som et enzym . Forskerne viste, at XNA er i stand til at spalte og ligere DNA, RNA og andre XNA-sekvenser med den største aktivitet i XNA-katalyserede reaktioner på XNA-molekyler. Denne undersøgelse kan bruges til at afgøre, om DNA's og RNA's rolle i livet er opstået som et resultat af naturlige selektionsprocesser, eller om det blot var en tilfældighed [18] .
XNA kan bruges som molekylære klemmer i kvantitative real-time polymerase kædereaktioner (qPCR) ved hybridisering til mål-DNA-sekvenser [19] . I en undersøgelse offentliggjort i PLOS ONE afslørede XNA-medieret molekylær klemmeanalyse mutant cellefrit DNA (cfDNA) af præcancerøse læsioner i kolorektal cancer (CRC) og kolorektal cancer [19] . XNA kan også fungere som en meget specifik molekylær probe til at detektere en målnukleinsyresekvens [20] .
| Nukleinsyretyper _ | ||||
|---|---|---|---|---|
| Nitrogenholdige baser | ||||
| Nukleosider | ||||
| Nukleotider | ||||
| RNA | ||||
| DNA | ||||
| Analoger | ||||
| Vektortyper _ |
| |||
| ||||