異種生物学

異種生物学（XB ）は、生物学的装置やシステムの合成と操作を研究する合成生物学のサブフィールドです。 ^[1]「異種生物学」という名前は、ギリシャ語の「異星人」を意味するxenosに由来しています。異種生物学は、科学では（まだ）馴染みがなく、自然界には見られない生物学の一形態です。^{[2]実際には、標準的な}DNA - RNA -20アミノ酸システム（分子生物学のセントラルドグマを参照）とは異なる新しい生物学的システムと生化学について説明します。たとえば、DNAやRNAの代わりに、XBは情報キャリアとして異種核酸（XNA）と呼ばれる核酸類似体を研究します。 ^[3]また、拡張遺伝コード^{[4]と、タンパク質に非}タンパク質構成アミノ酸、つまり「異種アミノ酸」を組み込むことにも焦点を当てています。 ^{[5] [6]}

「アストロ」は「星」を意味し、「エキソ」は「外」を意味します。エキソ生物学と宇宙生物学はどちらも、宇宙、主に恒星周居住可能領域内の他の惑星における自然に進化した生命の探索を扱っています。（これらは、異星生物学と呼ばれることもあります。^[2]）宇宙生物学者は宇宙の他の場所における生命の検出と分析に取り組んでいますが、異星生物学は、地球とは異なる生化学や異なる遺伝子コードを持つ生命形態を設計しようとしています。 ^[2]

• 異種生物学は、生物学と生命の起源に関する基礎知識を明らかにする可能性を秘めています。生命の起源をより深く理解するためには、生命が初期のRNAの世界を経て、DNA-RNA-タンパク質システムとそのほぼ普遍的な遺伝コードに進化した理由を知る必要があります。^[7]それは進化の「偶然」だったのでしょうか、それとも他の種類の化学物質を排除する制約があったのでしょうか。代替の生化学的「原始スープ」をテストすることで、私たちが知っている生命を生み出した原理をより深く理解することが期待されます。
• 異種生物学は、バイオポリマー工学と病原体耐性によって、新しい機能を備えた工業生産システムを開発するアプローチです。遺伝コードは、すべての生物において、タンパク質生合成に使用される20種類の標準的なアミノ酸をコード化しています。まれに、セレノシステインやピロリシンなどの特殊なアミノ酸が、翻訳装置によって一部の生物のタンパク質に組み込まれることがあります。^[8]これらの20+2種類のアミノ酸を合わせて、22種類のタンパク質構成アミノ酸として知られています。^[9]生化学で知られている700種類以上のアミノ酸の中から追加のアミノ酸を使用することで、タンパク質の機能を変更し、より効率的な触媒機能や材料機能を生み出すことができます。たとえば、ECが資金提供しているプロジェクトMetacode ^[10]は、細菌細胞にメタセシス（これまで生体では知られていなかった有用な触媒機能）を組み込むことを目指しています。 XB が生産プロセスを改善できるもう一つの理由は、XB 細胞が適切な宿主細胞を提供できなくなり、より耐性が強くなるため、培養中のウイルスやバクテリオファージによる汚染のリスクを軽減できる可能性があることです (セマンティック コンテインメントと呼ばれるアプローチ)。
• 異種生物学は、現在のバイオ封じ込めアプローチを強化し、多様化させるのに役立つ可能性のある、新しいバイオ封じ込めシステムである「遺伝子ファイアウォール」を設計するオプションを提供します。^[2]従来の遺伝子工学とバイオテクノロジーの懸念の1つは、環境への水平遺伝子伝達と人間の健康への潜在的なリスクです。異種生物学の主要なアイデアの1つは、水平遺伝子伝達が不可能になるように、代替の遺伝コードと生化学を設計することです。^[11]さらに、代替生化学は新しい合成栄養要求性も可能にします。そのアイデアは、自然の遺伝子システムと互換性のない直交生物システムを作成することです。^[12]

異種生物学では、1 つ以上の基本的なレベルで自然界の生物とは異なる生物システムを設計および構築することを目標としています。理想的には、これらの自然界で初めて発見された生物は、あらゆる生化学的側面で異なり、非常に異なる遺伝コードを示すはずです。^[13]長期的な目標は、DNA ではなく、異種核酸 (XNA)、異なる塩基対、非標準アミノ酸、改変された遺伝コードで構成される代替情報ポリマーに遺伝情報を保存する細胞を構築することです。これまでのところ、これらの機能の 1 つまたは 2 つだけを組み込んだ細胞が構築されています。

もともと、この代替形態の DNA に関する研究は、地球上で生命がどのように進化したか、そしてなぜ RNA と DNA が（化学的）進化によって他の可能性のある核酸構造よりも選択されたのかという疑問から始まりました。 ^[14] RNA と DNA が生命のバックボーンとして選択された理由については、地球の条件下での生命にとって好ましい、または生命誕生前の化学反応で偶然存在し、現在も使用され続けているという2 つの仮説があります。 ^[15]核酸の化学構造の多様化を目指す体系的な実験研究により、まったく新しい情報バイオポリマーが生み出されました。これまでに、新しい化学バックボーンまたは DNA の脱離基を持つ多数の XNA が合成されています。^{[3] [16] [17] [18]}例：ヘキソース核酸 (HNA)、トレオース核酸(TNA)、^[19] グリコール核酸(GNA) シクロヘキセニル核酸 (CeNA)。^[20] 3つのHNAコドンを含むプラスミドへのXNAの組み込みは、すでに2003年に達成されている。^[21]このXNAは、生体内（大腸菌）でDNA合成のテンプレートとして使用される。バイナリ（G / T）遺伝子カセットと2つの非DNA塩基（Hx / U）を使用したこの研究では、CeNAに拡張されたが、GNAは現時点では自然の生物系でDNA合成のテンプレートとして使用するには異質すぎると思われる。^[22]天然DNAバックボーンを使用した拡張塩基も同様に、より限定された範囲ではあるが、天然DNAに転写できる可能性がある。^[23]

テンプレートDNA鎖の延長として使用される以外に、XNA活性は遺伝子触媒として使用することがテストされています。タンパク質は細胞酵素活性の最も一般的な成分ですが、核酸も細胞内で反応を触媒するために使用されます。2015年の研究では、いくつかの異なる種類のXNA、最も有名なのはFANA（2'-フルオロアラビノ核酸）ですが、HNA、CeNA、ANA（アラビノ核酸）は、転写後のRNA処理中にRNAを切断するためにXNA酵素として使用できることが判明したため、XNAzymeという名前が付けられています。FANA XNAzymeは、DNA、RNA、およびXNA基質を連結する能力も示しました。^[15] XNAzyme研究はまだ初期段階ですが、この研究は、 DNA、RNA、およびそれら自身のXNA基質を制御できるDNAおよびRNA対応物を含むものよりも効率的な合成回路コンポーネントを探す方向への一歩でした。

XNA は骨格を改変しているが、他の実験では DNA の遺伝子アルファベットを非天然の塩基​​対で置き換えたり拡大したりすることを目指している。例えば、4 つの標準塩基 A、T、G、C の代わりに 6 つの塩基 A、T、G、C と 2 つの新しい塩基 P と Z を持つ DNA が設計されている（Z は 6-アミノ-5-ニトロ 3-(1'-pD-2'-デオキシリボフラノシル)-2(1H)-ピリドン、P は 2-アミノ-8-(1-ベータ-D-2'-デオキシリボフラノシル)イミダゾ[1,2-a]-1,3,5-トリアジン-4 (8H) を表す）。^{[24] [25] [26]} Leconte らは体系的な研究で、 DNAに組み込む可能性のある60の候補塩基（潜在的に3600塩基対）の生存可能性をテストした。^[27]

2002年、平尾らは、非標準アミノ酸を含むタンパク質合成の遺伝コードへの転写および翻訳においてin vitroで機能する、2-アミノ-8-(2-チエニル)プリン(s)とピリジン-2-オン(y)間の非天然塩基対を開発しました。^[28] 2006年には、複製および転写のための3番目の塩基対として、7-(2-チエニル)イミダゾ[4,5-b]ピリジン(Ds)とピロール-2-カルボアルデヒド(Pa)を作成しました。^[29]その後、Dsと4-[3-(6-アミノヘキサナミド)-1-プロピニル]-2-ニトロピロール(Px)がPCR増幅における高忠実度対として発見されました。^{[30] [31]} 2013年に、彼らはDs-Pxペアをin vitro選択によるDNAアプタマー生成（SELEX）に適用し、遺伝子アルファベットの拡張が標的タンパク質に対するDNAアプタマーの親和性を大幅に増強することを実証した。^[32]

2014年5月、研究者らは、4つの天然ヌクレオチドに加えて、2つの新しい人工ヌクレオチドを細菌DNAに導入することに成功し、個々の人工ヌクレオチドを培養培地に含めることで細菌を24回継代培養できたと発表した。人工ヌクレオチドを利用できるmRNAやタンパク質は生成されなかった。^{[33] [34] [35]}

XNAも非天然塩基も天然ポリメラーゼには認識されない。大きな課題の1つは、これらの自然界に存在しない構造を複製できる新しいタイプのポリメラーゼを発見または作成することです。あるケースでは、HIV逆転写酵素の改変変異体が、第3のタイプの塩基対を含むオリゴヌクレオチドをPCR増幅できることが分かりました。^{[36] [37] Pinheiroら（2012）は、ポリメラーゼの進化と設計の方法により、自然界には見られない単純な核酸構造、}異種核酸 に基づく6つの代替遺伝ポリマーから（100bp未満の長さの）遺伝情報の保存と回復に成功したことを実証しました。^[38]

異種生物学の目標の 1 つは、遺伝暗号を書き換えることです。暗号を変更する最も有望な方法は、めったに使用されない、または未使用のコドンの再割り当てです。^[39] 理想的なシナリオでは、遺伝暗号は 1 つのコドンによって拡張され、古い機能から解放され、非標準アミノ酸 (ncAA) に完全に再割り当てされます (「コード拡張」)。これらの方法は実装が面倒であるため、たとえば、特定のアミノ酸に対して栄養要求性の細菌では、実験のある時点で、栄養要求性の標準アミノ酸の代わりに等構造類似体を与えます。その状況では、天然タンパク質の標準アミノ酸残基が ncAA に置き換えられます。同じタンパク質に複数の異なる ncAA を挿入することさえ可能です。^[40]最後に、20種類の標準アミノ酸のレパートリーは、拡大できるだけでなく、19種類にまで減らすこともできます。 ^[41] 転移RNA（tRNA）/アミノアシルtRNA合成酵素のペアを再割り当てすることで、コドンの特異性を変えることができます。このようなアミノアシル-[tRNA合成酵素]を付与された細胞は、既存の遺伝子発現機構では意味をなさない[mRNA]配列を読み取ることができます。^[42]コドン：tRNA合成酵素のペアを変更すると、生体内で非標準アミノ酸がタンパク質に組み込まれる可能性があります。^{[43] [44]} 過去には、コドンの再割り当ては主に限定された規模で行われていました。しかし、2013年にハーバード大学のファレン・アイザックスとジョージ・チャーチは、大腸菌のゲノム中に存在する321のTAG終止コドンすべてを同義のTAAコドンに置き換えたことを報告し、これにより、致死的な影響なしに大規模な置換を高次株に組み合わせることができることを実証しました。^[45]このゲノム全体のコドン置換の成功に続いて、著者らはゲノム全体で13のコドンの再プログラミングを継続し、42の必須遺伝子に直接影響を与えました。^[46]

遺伝暗号におけるさらに根本的な変化は、シシドが無細胞系で先駆的に行った、三連コドンから四連コドン、さらには五連コドンへの変化である^{[47] 。また、シュルツが細菌で先駆的に行った[48]}。最後に、非天然塩基対はタンパク質に新しいアミノ酸を導入するために使用することができる。^[49]

DNA を XNA に置き換えるという目標は、遺伝子モジュールではなく環境を操作するという別の方法でも達成できる可能性があります。このアプローチは、Marlière と Mutzel によって、DNA が標準的な A、C、G ヌクレオチドで構成され、配列の対応する位置にチミン (T) の代わりに合成チミン類似体 5-クロロウラシルを持つ大腸菌株の生成によって実証されました。これらの細胞は、成長のために外部から供給される 5-クロロウラシルに依存しますが、それ以外は通常の大腸菌のように見え、動作します。ただし、これらの細胞は、培地にチミンが供給されると、まだチミンで成長するため、現時点ではまだ完全に異種塩基要求性ではありません。^[50]

異種生物学的システムは、自然生物学的システムとの直交性を伝えるように設計されています。XNA、^{[51]、異なる塩基対とポリメラーゼを使用し、変更された遺伝コードを持つ（まだ仮説的な）}生物は、遺伝子レベルで自然界の生命体と相互作用することはほとんどできません。したがって、これらの異種生物学的生物は、自然細胞と情報を交換できない遺伝的飛び地を表しています。 [52]細胞の遺伝子機構を変更すると、意味的封じ込めにつながります。ITにおける情報処理に類似して、この安全概念は「遺伝子ファイアウォール」と呼ばれています。^{[2] [53]}遺伝子ファイアウォールの概念は、以前の安全システムの多くの制限を克服しているようです。^{[54] [55]}遺伝子ファイアウォールの理論的概念の最初の実験的証拠は、ゲノム的に再コード化された生物（GRO）の構築により2013年に達成されました。このGROでは、大腸菌の既知のUAG終止コドンがすべてUAAコドンに置き換えられ、放出因子1の削除とUAG翻訳機能の再割り当てが可能になりました。GROはT7バクテリオファージに対する耐性が高まったため、代替遺伝コードが遺伝的適合性を低下させることが示されました。^[56]ただし、このGROは依然として自然の「親」と非常に類似しており、遺伝的ファイアウォールがあるとは見なされません。多数のトリプレットの機能を再割り当てする可能性は、XNA、新しい塩基対、新しい遺伝コードなどを組み合わせた株を持つ可能性を開きますが、これらは自然の生物界と情報を交換することはできません。新しい生物の意味的封じ込めメカニズムにつながる変化に関係なく、新しい生化学システムは依然として毒性スクリーニングを受ける必要があります。XNA、新しいタンパク質などは、新しい毒素を表しているか、評価する必要があるアレルギーの可能性を持っている可能性があります。^{[57] [58]}

異種生物学は規制の枠組みに異議を唱える可能性がある。現在、法律や指令は遺伝子組み換え生物を扱っており、化学的またはゲノム的に組み換えられた生物については直接言及していないためである。実際の異種生物学生物が今後数年間に出現するとは予想されていないことを考慮すると、政策立案者には来たるべきガバナンスの課題に備えるための時間がいくらかある。2012年以来、以下のグループがこのトピックを発展途上のガバナンス問題として取り上げている：米国の政策顧問、^[59]、欧州の4つの国家バイオセーフティ委員会、^[60]、欧州分子生物学機構、^{[61] 、}および欧州委員会の新興・新たに特定された健康リスクに関する科学委員会（SCENIHR）の3つの意見（定義、^{[62] 、}リスク評価の方法論と安全性の側面、^[63]、合成生物学に関連する環境と生物多様性へのリスク、および合成生物学分野の研究の優先事項。^[64]）。

• de Lorenzo, Victor; Schmidt, Markus (2016 年 4 月)。「合成バグの蔓延: 高度に改変された (マイクロ) 生物の封じ込めオプション」。Current Opinion in Biotechnology。38 : 90–96。doi : 10.1016 /j.copbio.2016.01.006。PMID 26874261  。

• XB1: 異種生物学に関する第 1 回会議 Archived 2019-04-03 at the Wayback Machine 2014 年 5 月 6 ～ 8 日。イタリア、ジェノバ。
• XB2: 第2回異種生物学会議、2016年5月24～26日。ドイツ、ベルリン。