Ксенобиология

Подраздел синтетической биологии, изучающий создание и управление биологическими устройствами и системами. На практике это обозначает новые биологические и биохимические системы, которые отличаются от канонической системы ДНК-РНК-20 аминокислот. Например, вместо ДНК или РНК, КБ исследует аналоги нуклеиновых кислот, называемые ксенонуклеиновые кислоты (КсНК) в качестве носителей информации. Она также исследует расширенный генетический код и включение не-протеиногенных аминокислот в белки.

Ксенонуклеиновые кислоты (КсНК)

Первоначально исследование альтернативных форм ДНК было обусловлено вопросом о том, как развивалась жизнь на Земле и почему РНК и ДНК были отобраны в процессе (химической) эволюции в отличие от других возможных структур нуклеиновых кислот. Систематические экспериментальные исследования, направленные на диверсификацию химической структуры нуклеиновых кислот, привели к созданию совершенно новых информационных биополимеров. Были синтезированы ряд КсНК на базе новых химических основ или исходящих мотивов ДНК, например: гексозонуклеиновая кислота (ГНК), треозо-нуклеиновая кислота (ТНК), гликольнуклеиновая кислота (ГлНК), циклогексенилнуклеиновая кислота (ЦНК), пептидонуклеиновая кислота (ПНК). Включение КсНК в плазмиды с использованием трех кодонов ГНК было проделано в 2003 году на Земле до Бесконечной Войны. Эта КсНК используется in vivo (E. coli) в качестве матрицы для синтеза ДНК. В это исследование, использующее двоичную (G/T) генетическую кассету и два основания, не входящие в состав ДНК (Hs/U), была включена также ЦНК, в то время как ГлНК представляется слишком чуждой для естественной биологической системы, которая будет использоваться в качестве шаблона для синтеза ДНК. Расширенные основы, используя естественный каркас ДНК, могут также быть транслитерированы в природную ДНК , хотя и в более ограниченной степени.

Расширение генетического алфавита

В то время как различные КсНК имеют модифицированные каркасы, другие эксперименты нацелены на замену или расширение генетического алфавита ДНК с использованием неестественных пар оснований. Во времена Бесконечной Войны например, была разработана ДНК, имеющая вместо четырёх стандартных основ А, Т, G и C шесть основ А, T, G, C, и две новые P и Z. Ученые проверили устойчивость 60 оснований-кандидатов (получив около 3600 пар оснований) для возможного включения в ДНК. Позднее после войны, науке удалось расширить алфавит до 9 значений: A, T, G, C, P, Z, R, S, W

Разработка генетического кода

Одна из целей ксенобиологии — это переписать универсальный генетический код. Наиболее перспективным подходом для изменения кода является переназначение редко используемых или неиспользуемых кодонов. В идеальном случае, генетический код увеличивается на один кодон, тем самым освобождаясь от своей предыдущей функции и переключаясь на кодирование неканонической аминокислоты (нкАК) («расширение кода»). Поскольку эти методы трудоемки в реализации, существует возможность применения более коротких путей («разработка кода»), например у ауксотрофных к специфической аминокислоте бактерий, которые в эксперименте получают изоструктурные аналоги вместо канонических аминокислот. В этой ситуации, канонические аминокислотные остатки в нативных белках замещаются нкАК. Возможно даже введение нескольких различных нкАК в один и тот же белок. Наконец, набор из 20 канонических аминокислот может быть не только расширен, но также и уменьшен до 19. Специфичность кодона может быть изменена при помощи переназначения пары транспортная РНК (тРНК)/аминоацил тРНК-синтетаза. Клетки, обладающие такими аминоацил-тРНК синтетазами, таким образом, в состоянии прочитать последовательности мРНК. Изменение кодона: пары тРНК синтетазы могут способствовать включению в белки неканонических аминокислот in vivo. В прошлом переназначение кодона в основном происходило в ограниченном масштабе. Во времена первой волны экпании ученые часто экспериментировали с видами, заменяя иногда такое кол-во кодонов, что затрагивало все 42 основных гена.

Ещё более радикальными изменениями в генетическом коде являются изменения триплетного кодона на квадриплетный и даже пентаплетный кодоны, произведенные в бесклеточных системах и в бактериальных клетках. Наконец, неприродные пары оснований могут быть использованы для введения в белки новой аминокислоты.

Направленная эволюция

Замена ДНК на КсНК может быть также произведена другим путём, а именно путём изменения окружающей среды вместо генетических модулей. Этот подход, таким образом, устанавливает два барьера для любого взаимодействия с другими бактериями, так как штамм является ауксотрофным для неприродного химического соединения и содержит форму ДНК, которая не может быть расшифрована другими организмами.

Биобезопастность

Ксенобиологические системы предназначены для придания ортогональности естественным биологическим системам. Организм, содержащий КсНК, иные пары оснований и полимеразы, и имеет измененный генетический код, вряд ли будет в состоянии взаимодействовать с природными формами жизни на генетическом уровне. Таким образом, эти ксенобиологические организмы представляют собой генетический анклав, который не может обмениваться информацией с природными клетками. Изменение генетического аппарата клеток приводит к семантическому сдерживанию. По аналогии с обработкой информации в ИТ, эта концепция безопасности называется «генетический брандмауэр». Концепция «генетического брандмауэра» может преодолеть ряд ограничений предыдущих систем безопасности. Возможность переназначение функций большого числа триплетов делает возможным разрабатывать штаммы, которые сочетают КсНК, новые пары оснований, новые генетические коды и т. д., и которые не могут обмениваться никакой информацией с естественным биологическим миром. В то время как «генетический брандмауэр» может реализовать семантические механизмы сдерживания в новых организмах, новые биохимические системы по-прежнему должны быть оценены по отношению к новым токсинам и ксенобиотикам.

Реальность вышедшая из под контроля

Как уже говорилось выше, геном может изменяться не только путем модификаций, но и под воздействием внешних факторов. Не смотря на изоляционные ограничения создаваемые учеными при модификации ксенобиологических организмов, попадая в среду непригодную для проживания человека, такие организмы иногда в обход ГБ, начинали взаимодействовать с другими организмами экзобиологического происхождения, что в дальнейшем приводило к началу естественных мутаций, в большей половине случаев, несущих угрозу организмам из "пояса жизни". Это привело к тому, что в 2845 году, Империя запретила разработку и модификации генома. За нарушение данного закона, всех причастных лиц ждет смертная казнь.