Xeno-Nükleik Asitler ve XNA Dünyası

  • Abdullah Ekmekçi Gazi Üniversitesi Tıp Fakültesi

Abstract

İnsan gereksinimlerini karşılamak için günümüzde yeni organizmalar ve biyolojik sistemler oluşturulmaktadır. Sentetik biyoloji, doğada var olmayan organizmaları, biyolojik bileşenleri ve işlevleri oluşturmak için ya da varolan biyolojik sistemlere yeni işlev yaptırabilmek için yeniden tasarlar ve modeller oluşturur. Sentetik biyoloji, biyolojinin mühendisliğidir, in vitro genetik olarak da tanımlanır. Sentetik genomik ise  kimyasal sentezle tam bir genomu ya da genomun bir kısmını oluşturabilecek teknolojik çalışmaları kapsar. Santral dogma olarak bilinen evrensel genetik bilgi akışında hücrelerimiz doğal nükleik asit olan DNA’yı okuyarak işlevsel RNA ve protein oluşturur. Xeno nükleik asitler (XNA’lar) ilk kez Herdewijn ve Marlier tarafından kimyasal yolla ortaya çıkarılmış yeni bir türev nükleik asit sınıfıdır.  XNA’lar, doğal olmayan nükleik asit omurgalı sentetik genetik polimerlerdir. Doğal genomlarda nükleik asiti oluşturan, replike olan ve sayısı dört olan (GACT) yapıtaşlarına, 1990’da kimyacıların başlattığı genişletilmiş yapay genetik bilgi sistemlerinde yeni yapıtaşları eklenmiştir. Baz çifti sayısı da üçten daha fazlasına çıkarılmıştır. Önceki genetik bilgilerin depolandığı GACT’den oluşan DNA kütüphaneleri, en azından DNA’da Z:P baz çifti şeklinde eşleşebilen GACTZP nükleotidleriyle zenginleştirilmiştir. Genetik kodun düzenlenmesi (genom editing)  ve histon kodunun düzenlenmesi (epigenom editing) ile yeniden tasarlanan kromatinler, tıpta, biyoteknolojik ve temel biyolojik araştırmalarda şaşırtan sonuçlar vermiş ve pek çok sorunun çözümüne yönelik yeni ufuklar açmıştır.

References

Gardner TS, Cantor CR, Collins JJ. Construction of a genetic toggle switch in Escherichia coli. Nature 2000; 403: 339–42.

Weber W, Fussenegger M. Engineering of synthetic mammalian gene networks. Chem. Biol. 2009; 16: 287–97.

Ruder WC, Lu T, Collins JJ. Synthetic biology moving into the clinic. Science 2011; 333: 1248–52.

Bution ML, Molina G, Abraha˜o MR, Pastore GM. Genetic and metabolic engineering of microorganisms for the development of new flavor compounds from terpenic substrates. Crit Rev Biotechnol 2015;35: 313-25.

Kis Z, Pereira HSA, Homma T, Pedrigi RM, Krams R. Mammalian synthetic biology: emerging medical applications. J. R. Soc. 2015; Interface 12: 20141000. http://dx.doi.org/10.1098/rsif.2014.1000

Esweld KM and Wang HH. Genome-scale engineering for systems and synthetic biology. Mol Syst Biol 2013; 9: 641

Gaj T, Gersbach CA, Barbas CF, 3rd. ZFN, TALEN, and CRISPR/Cas based methods for genome engineering. Trends Biotechnol 2013; 31:397–405.

Wang HH, Isaacs FJ, Carr PA, Sun ZZ, Xu G, Forest CR, Church GM et al. Programming cells by multiplex genome engineering and accelerated evolution. Nature 2009; 460: 894–8.

Jiang W, Bikard D, Cox D, Zhang F. & Marraffini LA. RNA-guided editing of bacterial genomes using CRISPR–Cas systems. Nature Biotech 2013; 31: 233–9.

Herdewijn P, Marliere P. Toward safe genetically modified organisms through the chemicals diversification of nucleic acids. Chem Biodivers 2009; 6, 791-808.

Pinheiro VB, Taylor AI, Cozens C, Abramov M, Renders M, Zhang S,et al. Synthetic genetic polymers capable of heredity and evolution. Science 2012; 336: 341–4.

Anasova I, Kowal EA, Dunn MR, Chaput JC, Van Horn W D. The structural diversity of artificial genetic polymers, Nucleic Acid Res 2015;44:1007-21.

Yamamoto T, Nakatani M, Narukawa K, Obika S. Antisense drug discovery and development. Future Med Chem 2011; 3: 339-65.

Schöning K, Scholz P, Guntha S, Wu X, Krishnamurthy R., and Eschenmoser A. Chemical etiology of nucleic acid structure: the a-threofuranosyl-(30—>20 ) oligonucleotide system. Science 2000; 290: 1347–51.

Holmberg RC, Henry AA, Romesberg FE. Directed evolution of novel polymerases, Biomol Engineering 2005; 22: 39-49.

Kimoto M, Yamashige R, Matsunaga K-I, Yokoyama S, Hirao I. Generation of high-affinity DNA aptamers using an expanded genetic alphabet. Nat Biotechnol 2013; 31: 453–7.

Georgiadis MM, Singh I, Kellett WF, Hoshika S, Benner SA, Richards NGJ. Structural Basis for a Six Nucleotide Genetic Alphabet. J. Am. Chem. Soc. 2015; 137: 6947–55.

Taylor AI, Pinheiro VB, Smola MJ, Morgunov AS, Peak-Chew S, Cozens C et al. Catalysts from synthetic genetic polymers. Nature, 2015;518:427-30.

Nielsen PE, Egholm M, Berg RH and Buchardt O. Sequence-selective recognition of DNA by strand displacement with a thymine-substituted polyamide. Science 1991; 254: 1497–500.

Nielsen PE. Sequence-selective targeting of duplex DNA by peptide nucleic acids. Curr Opin Mol Ther 2010; 12: 184–91.

Gambari R. Peptide nucleic acids: a review on recent patents and technology transfer. Expert Opin Ther Pat 2014; 24: 267–94.

Tuerk C, Gold L. Systematic evolution of ligands by exponential enrichment: RNA ligands to bacteriophage T4 DNA polymerase. Science 1990; 249: 505–10.

Ellington AD, Szostak JW. In vitro selection of RNA molecules that bind specific ligands. Nature 1990; 346: 818–22.

Wilson DS, Szostak, JW. In vitro selection of functional nucleic acids. Annu. Rev. Biochem 1999; 68: 611–47.

Goringer H, Homann M, Lorger, M. In vitro selection of high-affinity nucleic acid ligands to parasite target molecules. Int. J. Parasitol 2003; 33: 1309–17.

Cox JC. Hayhurst A, Hesselberth J, Bayer TS, Georgiou G, Ellington AD. Automated selection of aptamers against protein targets translated in vitro: From gene to aptamer. Nucleic Acids Res 2002; 30, e108.

Wang J, Li, G. Aptamers against cell surface receptors: Selection, modification and application. Curr. Med. Chem 2011; 18: 4107–16.

McKeague M, DeRosa, MC. Challenges and opportunities for small molecule aptamer development. J. Nucleic Acids 2012;2012:748913

Brannon-Peppas L, Blanchette JO. Nanoparticle and targeted systems for cancer therapy. Adv. Drug Del. Rev 2012; 64: 206–12.

Ng EW, Shima DYP, Calias P, Cunningham ET, Guyer DR and Adamis AP. Pegaptanib, a targeted anti-VEGF aptamer for ocular vascular disease. Nat. Rev. Drug Discovery 2006; 5, 123.

Pinheiro VB and Holliger P. Towards XNA nanotechnology: new materials from synthetic genetic polymers. Trends Biotechnol 2014; 32: 321–8.

Yu H, Zhang S and Chaput JC. Darwinian evolution of an alternative genetic system provides support for TNA as an RNA progenitor. Nat. Chem 2012; 4: 183–7.

Published
2016-06-23
Section
Literature Review With Cases