Xenobiologie

Gegenstand und Abgrenzung

Xenobiologie (XB) ist eine Teildisziplin der synthetischen Biologie. Sie entwickelt und verändert komplexe biologische Schaltkreise und Systeme, die vom kanonischen DNA-RNA-20-Aminosäuren-System abweichen. Praktisch bedeutet das etwa, Nukleinbasen in DNA oder RNA durch Nicht-Standard-Basen zu ersetzen, die Zucker Ribose beziehungsweise Desoxyribose auszutauschen oder den genetischen Code zu erweitern. Auch nichtproteinogene, also nichtkanonische, Aminosäuren können in Proteine eingebaut werden.

Anders als Exobiologie und Astrobiologie sucht Xenobiologie nicht nach außerirdischem Leben. Exobiologie und Astrobiologie befassen sich mit möglicher Entstehung und Existenz von Leben im All, meist auf Planeten der habitablen Zone. Xenobiologie versucht dagegen auf der Erde Lebensformen mit grundlegend anderer Biochemie oder einem abweichenden genetischen Code zu erzeugen.

Ziele und mögliche Anwendungen

Ein zentrales Ziel ist, fundamentale Prinzipien der Biologie und den Ursprung des Lebens besser zu verstehen. Untersucht wird, warum sich das Leben wahrscheinlich über eine frühe RNA-Welt oder RNA-Protein-Systeme zur heutigen DNA-RNA-Protein-Welt mit universellem genetischem Code entwickelte. Dabei geht es auch um die Frage, ob dies evolutiver „Zufall“ war oder ob selektive Zwänge andere Formen der Lebensbiochemie ausschlossen. Alternative biochemische „Ursuppen“ sollen solche Grundlagen sichtbar machen.

Daneben werden industrielle Produktionssysteme, Biopolymer Engineering und Pathogenresistenzen angestrebt. Der genetische Code kodiert in allen Organismen 20 kanonische Aminosäuren. Selten werden zusätzlich Selenomethionin, Selenocystein und Pyrrolysin eingebaut. Weitere 700 in der Biochemie bekannte Aminosäuren könnten Proteinen neue katalytische oder Materialeigenschaften verleihen. Das EU-geförderte Projekt METACODE will beispielsweise die in lebenden Organismen bislang unbekannte Metathese in Bakterienzellen etablieren.

Veränderte Zellen könnten außerdem weniger anfällig für Viren und Bakteriophagen sein. Eine „semantische Eindämmung“ soll sie für Viren und Phagen ungeeignet als Wirte machen. Sie soll zugleich horizontalen Gentransfer – die Übertragung genetischen Materials in die Umwelt – begrenzen. Alternative Codes und Bausteine können synthetische Auxotrophien erzeugen: Organismen sind dann auf einen bestimmten, künstlichen Stoff angewiesen. So entstehen orthogonale biologische Systeme, die mit natürlichen genetischen Systemen nicht kompatibel sind.

Alternative Nukleinsäuren und Basen

Das Langzeitziel ist eine Zelle, die Erbinformation nicht in DNA speichert und nicht mit 20 Aminosäuren übersetzt, sondern alternative Informationsträger, andere Basenpaarungen und nichtkanonische Aminosäuren nutzt. Bislang wurden nur Zellen erzeugt, die eine oder zwei dieser Eigenschaften besitzen.

Xenonukleinsäuren (XNA) sind informationstragende Biopolymere mit verändertem chemischem Grundgerüst oder neuen Nukleobasen. Beispiele sind hexose nucleic acid (HNA), threose nucleic acid (TNA), glycol nucleic acid (GNA) und cyclohexenyl nucleic acid (CeNA). 2003 wurden drei HNA-Codons in ein Plasmid eingebaut. XNA wurde in vivo in Escherichia coli als Vorlage für DNA-Synthese verwendet, mit einer binären genetischen Kassette (G/T) und den Nicht-DNA-Basen (Hx/U). CeNA konnte ebenfalls eingebaut werden. GNA war dagegen wegen zu großer Unterschiede zum natürlichen System bislang keine geeignete Matrize für die natürliche DNA-Biosynthese.

Beim erweiterten genetischen Alphabet werden DNA- oder RNA-Basen durch unnatürliche Basenpaare ergänzt oder ersetzt. DNA mit sechs Basen – A, T, G, C, dP und dZ – wurde hergestellt. Leconte et al. prüften 60 Basenkandidaten, entsprechend 3600 möglichen Basenpaaren. 2006 wurden xDNA, xxDNA, yDNA und yyDNA mit Benzol- oder Naphthylgruppen untersucht; diese könnten jedoch begrenzt wieder in natürliche DNA umgewandelt werden. Yorke Zhang et al. berichteten 2016/2017 über halbsynthetische Organismen mit den Basen X (NaM) und Y' (TPT3). Anfang 2019 wurde Hachimoji-DNA und -RNA mit jeweils acht Basen veröffentlicht: vier natürlich und vier synthetisch, die sich paarweise zuordnen.

Polymerasen und veränderte Codes

Natürliche Polymerasen erkennen XNA und unnatürliche Basen nicht. Deshalb werden neue oder modifizierte Polymerasen benötigt, die solche Strukturen replizieren. Eine veränderte HIV-Reverse-Transkriptase erzeugte bei einer PCR-Amplifikation ein Oligonukleotid mit einem zusätzlichen dritten Basenpaar. Pinheiro u. a. zeigten 2012, dass genetische Information von unter 100 bp mit sechs alternativen XNA-Informationsspeichern gespeichert und wiederhergestellt werden kann. Eine modifizierte Polymerase ermöglichte außerdem in vitro die Transkription von Hachimoji-DNA in Hachimoji-RNA.

Bei der Erweiterung des genetischen Codes sollen seltene oder unbenutzte Codons frei werden und mit nichtkanonischen Aminosäuren (ncAA) besetzt werden. Beim kurzfristigeren „code engineering“ erhalten Bakterien, die bestimmte Aminosäuren nicht selbst bilden können, isostrukturelle Analoga. Sie bauen diese statt natürlicher Aminosäuren in Proteine ein. Das ersetzt jedoch nur eine kanonische Aminosäure und ist streng genommen keine Code-Erweiterung; mehrere nichtkanonische Aminosäuren können dennoch gleichzeitig eingebaut werden. Das Aminosäurerepertoire lässt sich auch verringern.

Modifizierte tRNA/Aminoacyl-tRNA-Synthetasepaare können andere Codons erkennen. Damit können Zellen mRNA lesen, die für die natürliche Proteinbiosynthese unbrauchbar wäre, und nichtkanonische Aminosäuren gezielt in vivo einbauen. 2013 ersetzten die Gruppen um Farren Isaac und Georg Church an der Harvard-Universität alle 314 TAG-Stopcodons im Genom von E. coli durch TAA-Stopcodons. Anschließend wurden in 42 essenziellen Genen 13 Codons durch Synonyme ersetzt; dort sank die Zahl verwendeter Codons von 64 auf 51.

Auch Quadruplett- oder Pentaplett-Codons statt Triplett-Codons sind möglich. Masahiko Sisido etablierte einen Pentaplett-Code in einem zellfreien System. Schultz et al. brachten 2004 und Costello et al. 2024 Bakterien dazu, Quadruplett-Codons zu nutzen. 2017 wurden E. coli veröffentlicht, die sechs statt vier Nukleotide verwenden können.

Gelenkte Evolution und künstliche Nukleopeptide

Ein anderer Weg verändert gezielt die Zellumgebung statt unmittelbar DNA durch XNA zu ersetzen. Marliere und Mutzel erzeugten einen E.-coli-Stamm mit den Standardnukleotiden A, C und G sowie dem synthetischen Thyminanalogon 5-Chloruracil. Dieses wurde sequenzspezifisch an allen Thyminpositionen in das Genom eingebaut. Die Zellen benötigen für ihr Wachstum extern zugegebenes 5-Chloruracil, verhalten sich sonst aber wie normale Colibakterien.

Dies schafft zwei Schutzebenen: eine Auxotrophie für eine nichtnatürliche Substanz und eine DNA-Form, die andere Organismen nicht entschlüsseln können. Künstliche Nukleopeptide können außerdem entstehen, indem gewöhnliche rechtshändige DNA mit künstlichen ebenfalls rechtshändigen Peptiden kombiniert wird; natürliche Peptide und Proteine bestehen aus linkshändigen Aminosäuren.

Biologische Sicherheit und Regulierung

Xenobiologische Systeme sollen orthogonal, also genetisch nicht austauschbar, zu natürlichen Systemen sein. Ein bisher hypothetischer XNA-Organismus mit XNA, anderen Basenpaaren, neuen Polymerasen und verändertem Code könnte kaum genetisch mit natürlichem Leben interagieren. Er wäre eine genetische Enklave. Diese Veränderung der Replikationsmaschine heißt semantische Eindämmung und wird als genetische Firewall beschrieben.

2013 lieferte ein genomrekodierter Organismus (GRO) erste experimentelle Hinweise: In E. coli wurden alle TAG-Stopcodons durch TAA ersetzt. Dadurch konnte der Freisetzungsfaktor RF 1 gelöscht und TAG vom Stoppsignal zu einem Aminosäure-Codon umgewidmet werden. Der GRO war resistenter gegen T7-Bakteriophagen. Er ähnelt seinen natürlichen Vorgängern aber noch zu stark, um bereits eine vollständige genetische Firewall zu besitzen. Für eine umfassende Sicherheit müssten auch neue biochemische Systeme für Toxine und Xenobiotika entwickelt werden.

Gesetze und Richtlinien behandeln gegenwärtig genetisch veränderte Organismen (GMOs), erwähnen chemisch modifizierte oder genomrekodierte Organismen jedoch nicht. Da vollständige xenobiologische Organismen in den nächsten Jahren noch nicht erwartet werden, bleibt Zeit für Regulierung. Seit 2012 gibt es in den USA politische Berater dazu; in Europa befassten sich vier nationale Ausschüsse für Biosicherheit, die European Molecular Biology Organisation und das Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks (SCENIHR) der Europäischen Kommission in drei Stellungnahmen mit Definitionen, Risikobewertung, Sicherheit sowie Risiken für Umwelt und Biodiversität.