Ксенобиология и расширенный генетический алфавит

Природная жизнь работает на одной химии: четыре нуклеотида на дезоксирибозном остове, читаемые по три в двадцать аминокислот. Ксенобиология спрашивает, что будет, если менять саму химию, а не записанную в ней последовательность. Мотивов два — доступ к белковой химии, которую эволюция не исследовала, и ортогональность: система, чью информацию окружающая биосфера прочитать нечем.

Четыре пути, четыре разных механизма

Неприродные пары оснований. К четырёхбуквенному алфавиту можно добавить буквы. Одно семейство пар держится гидрофобной и стерической комплементарностью, а не водородными связями, — оно эксплуатирует то, что полимераза проверяет главным образом геометрию пары, а не её химию. Другой путь сохраняет водородные связи, но переставляет расположение доноров и акцепторов, создавая дополнительные взаимоисключающие пары и алфавит из шести или восьми букв. В любом случае клетка не умеет синтезировать неприродные трифосфаты сама, поэтому полусинтетический организм должен их импортировать — обычно через гетерологичный нуклеотидный транспортёр — и теряет дополнительную пару, как только подача прекращается. Эта зависимость одновременно ограничение и механизм биоизоляции.

Ксенонуклеиновые кислоты. Здесь меняется остов: дезоксирибозу заменяет другой сахар или линкер — гекситол, треоза, глицерин, арабиноза. Полимер по-прежнему спаривается по основаниям, но природные нуклеазы не узнают такой субстрат — отсюда стабильность XNA. Плата за это в том, что ни одна природная полимераза его не синтезирует. Чтобы XNA стала рабочим генетическим материалом, пришлось сконструировать полимеразы, записывающие ДНК в XNA и читающие обратно; только это и позволяет вести направленную эволюцию молекул XNA in vitro.

Ортогональная трансляция. Расширение генетического кода не трогает нуклеиновую кислоту, а переназначает кодон. Аминоацил-тРНК-синтетаза со своей тРНК, заимствованные из далёкой линии и эволюционно подогнанные под неканоническую аминокислоту, не должны перекрёстно реагировать ни с одной из двадцати собственных пар хозяина. Заряженная на амбер-кодон, такая пара вставляет новый остаток в заданную позицию. Конкурирующая реакция — терминация: тот же кодон читает фактор освобождения RF1, поэтому эффективность супрессии и выход падают по мере роста числа вставок.

Перекодированные геномы. Способ снять эту конкуренцию — убрать кодон. Если синонимично заменить все его вхождения по геному и удалить соответствующий фактор освобождения, кодон становится свободным каналом без природного смысла. Это уже геномный синтез, самый трудоёмкий путь, — но именно он делает организм неспособным правильно транслировать входящие природные гены и неспособным быть прочитанным чем-либо ещё.

Как корректно формулировать утверждение о брандмауэре

Ортогональность предлагают как средство биоизоляции: организм, зависимый от синтетической аминокислоты или импортируемого неприродного трифосфата, погибает вне подачи, а его гены — бессмыслица для получателя с обычным аппаратом. Опубликованные частоты «побега» у сконструированных штаммов оказывались ниже пределов обнаружения применённых методов. Это настоящий результат, и это не то же самое, что ноль. Оценка частоты побега ограничена размером популяции и длительностью наблюдения, и любую такую цифру следует приводить вместе с ними. Мутации, перекрёстное питание и горизонтальное приобретение обходного пути остаются теми отказами, о которых имеет смысл спорить.

Общая практическая цена всех четырёх путей — приспособленность: ортогональные системы работают медленнее, и каждая добавленная химия конкурирует за потоки клетки и за её рибосомы.