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xna-nucleic-acid

An interactive laboratory simulator for exploring xenonucleic acids (XNA) -- synthetic genetic polymers that transcend natural DNA and RNA. Users can build and visualize TNA, HNA, FANA, LNA, PNA, and Morpholino molecules, compare their properties with natural nucleic acids, design XNAzymes to target cancer mutations, and explore the timeline of FDA-approved oligonucleotide therapeutics.

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Was ist das?

🎯 Simulator-Tipps

📚 Glossar

Xenonucleic Acid (XNA)
Jedes synthetische Nukleinsäureanalogon mit einem nicht-natürlichen Rückgrat, das die Fähigkeit behält, Basenpaare mit DNA, RNA oder anderen XNAs einzugehen und genetische Informationen zu speichern.
TNA
Threose-Nukleinsäure – XNA basierend auf einem Threose-Zucker mit vier Kohlenstoffatomen. Einfacher als DNA/RNA und ein Kandidat für präbiotische genetische Systeme.
HNA
Hexitol-Nukleinsäure – XNA basiert auf einem Hexitol-Zuckerring mit sechs Kohlenstoffatomen und bildet A-förmige Helices mit guter Nukleasestabilität.
FANA
2'-Fluor-Arabinonukleinsäure – XNA mit einem Fluoratom an der 2'-Position des Arabinosezuckers, hervorragend für die XNAzyme-Katalyse und Gen-Stilllegung.
LNA
Gesperrte Nukleinsäure – XNA mit einer Methylenbrücke, die die Ribose in der C3'-endo-Konformation fixiert und so für eine deutlich erhöhte Bindungsaffinität sorgt (+2–8 Grad Celsius pro Basenpaar).
PNA
Peptidnukleinsäure – XNA mit einem neutralen Peptidrückgrat anstelle von Zuckerphosphat, völlig resistent gegen Nukleasen und Proteasen.
Morpholino
Ein XNA-Typ mit einem Morpholin-Ring-Rückgrat und Phosphordiamidat-Verknüpfungen, der in von der FDA zugelassenen Splice-Switching-Medikamenten gegen Duchenne-Muskeldystrophie verwendet wird.
Nuclease
Ein Enzym, das Nukleinsäuren durch Spaltung von Phosphodiesterbindungen abbaut. Die Resistenz von XNA gegenüber Nukleasen ist ein entscheidender Vorteil für therapeutische Anwendungen.
Watson-Crick Base Pairing
Die spezifische Wasserstoffbindung zwischen komplementären Nukleobasen (A-T/U und G-C), die die beiden Stränge einer Doppelhelix zusammenhält.
Oligonucleotide Therapeutic
Ein Medikament, das auf kurzen synthetischen Nukleinsäuresequenzen (typischerweise 15–30 Nukleotide) basiert und die Genexpression durch Mechanismen wie Antisense, RNAi oder Aptamerbindung moduliert.
Antisense Oligonucleotide (ASO)
Eine einzelsträngige Nukleinsäure, die an komplementäre mRNA bindet, um die Translation zu blockieren oder den Abbau auszulösen und dadurch bestimmte Gene stummzuschalten.
XNAzyme
Ein katalytisches XNA-Molekül, das in der Lage ist, RNA-Substrate zu spalten, analog zu natürlichen Ribozymen, jedoch mit erhöhter Stabilität aufgrund des nicht-natürlichen Rückgrats.
Aptamer
Ein Nukleinsäuremolekül, das sich in eine spezifische 3D-Form faltet, um ein Zielmolekül mit hoher Affinität zu binden und dabei wie ein Antikörper funktioniert. XNA-Aptamere weisen eine überlegene Stabilität auf.
Polymerase
Ein Enzym, das Nukleinsäurestränge aus einer Vorlage synthetisiert. Zur Replikation von XNA sind künstlich hergestellte Polymerasen erforderlich, da natürliche Polymerasen nichtnatürliche Grundgerüste nicht verarbeiten können.
Nuclease Resistance
Die Fähigkeit einer Nukleinsäure, dem Abbau durch Nukleaseenzyme zu widerstehen, eine entscheidende Eigenschaft für therapeutische Nukleinsäuren, die im Körper überleben müssen.
Splice Switching
Ein therapeutischer Mechanismus, bei dem Oligonukleotide an Prä-mRNA-Spleißstellen binden, um mRNA-Spleißmuster zu verändern und die Produktion funktioneller Proteine ​​bei genetisch bedingten Krankheiten wiederherzustellen.
Phosphorothioate
Eine chemische Modifikation, bei der ein Sauerstoff im Phosphodiester-Rückgrat durch Schwefel ersetzt wird, was Nukleaseresistenz verleiht und die am häufigsten verwendete Modifikation in Antisense-Oligonukleotid-Arzneimitteln ist.
siRNA
Small interfering RNA, eine Klasse doppelsträngiger RNA-Moleküle (20–25 Nukleotide), die die Genexpression über den RNA-Interferenzweg unterdrücken. Patisiran (Onpattro) war das erste von der FDA zugelassene siRNA-Medikament.
Gene Silencing
Der Prozess der Reduzierung oder Eliminierung der Expression eines bestimmten Gens, der durch Antisense-Oligonukleotide, siRNA oder XNAzyme erreicht wird, die auf komplementäre mRNA-Sequenzen abzielen.
Orthogonal Genetic System
Ein synthetisches genetisches System, das unabhängig von natürlicher DNA/RNA unter Verwendung von XNA und manipulierten Enzymen funktioniert. Orthogonale Systeme ermöglichen Biocontainment und neuartige biologische Funktionen, ohne die Wirtsgenetik zu beeinträchtigen.
SELEX
Systematische Evolution von Liganden durch exponentielle Anreicherung, eine Labortechnik zur Entwicklung von Aptameren und XNA-Molekülen mit spezifischen Bindungs- oder katalytischen Eigenschaften durch iterative Selektions- und Amplifikationsrunden.
Nucleotide
Der Grundbaustein von Nukleinsäuren, bestehend aus einer stickstoffhaltigen Base, einem Zucker (oder einem Zuckeranalogon in XNA) und einer Phosphatgruppe (oder einem Analogon). XNA-Nukleotide unterscheiden sich von natürlichen durch ihren Zuckeranteil.
Backbone
Die sich wiederholende Zucker-Phosphat-Kette, die das Strukturgerüst von Nukleinsäuren bildet. XNA zeichnet sich dadurch aus, dass es über ein alternatives (nicht natürliches) Rückgrat verfügt und gleichzeitig die Fähigkeit zur Basenpaarung beibehält.
Oligonucleotide
Ein kurzes Nukleinsäurepolymer, typischerweise 15–50 Nukleotide lang, das in der Therapie, Diagnostik und Forschung verwendet wird. Die meisten Oligonukleotid-Medikamente enthalten chemische Modifikationen für die Stabilität.
RNase H
Ein zelluläres Enzym, das den RNA-Strang eines RNA-DNA-Duplexes abbaut. Antisense-Oligonukleotide, die mit der Ziel-mRNA Duplexe bilden, können RNase H rekrutieren, um das Zielgen zu spalten und zum Schweigen zu bringen.
Melting Temperature (Tm)
Die Temperatur, bei der 50 % der Nukleinsäure-Duplexe in Einzelstränge dissoziieren. Eine höhere Tm weist auf eine stärkere Basenpaarbindung hin. LNA-Modifikationen erhöhen Tm um 2–8 Grad Celsius pro Nukleotid.
Miravirsen
Das erste LNA-basierte Therapeutikum, das in klinische Studien geht und auf microRNA-122 zur Behandlung von Hepatitis C abzielt. Es demonstrierte die klinische Realisierbarkeit blockierter Nukleinsäuremodifikationen bei der Entwicklung von Antisense-Arzneimitteln.
Nusinersen (Spinraza)
Ein von der FDA zugelassenes Antisense-Oligonukleotid-Medikament gegen spinale Muskelatrophie, das 2'-O-Methoxyethyl-Modifikationen verwendet. Es korrigiert das SMN2-Prä-mRNA-Spleißen, um funktionelles SMN-Protein zu produzieren und so die Behandlungsergebnisse für den Patienten zu verändern.

🏆 Schlüsselpersonen

Philipp Holliger (2012)

Leitete die bahnbrechende Forschung am MRC Laboratory of Molecular Biology, die zeigte, dass sechs verschiedene XNA-Typen genetische Informationen speichern, von manipulierten Polymerasen repliziert werden und eine darwinistische Evolution durchlaufen können, die 2012 in Science veröffentlicht wurde.

Albert Eschenmoser (1990s-2000s)

Führte an der ETH Zürich systematische Studien zur Erforschung alternativer Zuckergerüste für Nukleinsäuren durch, einschließlich der Synthese und Charakterisierung von TNA (Threose-Nukleinsäure), und lieferte grundlegende Chemie für das XNA-Gebiet.

Peter Nielsen (1991)

Erfand 1991 an der Universität Kopenhagen die Peptid-Nukleinsäure (PNA) und schuf damit das erste Nukleinsäure-Analogon mit einem vollständig zucker- und phosphatfreien Grundgerüst und zeigte damit, dass für die genetische Erkennung kein natürliches Grundgerüst erforderlich ist.

Jesper Wengel (1998)

Entwickelte Locked Nucleic Acid (LNA) an der Universität von Süddänemark und schuf ein modifiziertes Nukleotid mit deutlich erhöhter Bindungsaffinität, das zu einer der am häufigsten verwendeten Modifikationen in der Oligonukleotid-Therapeutik geworden ist.

Stanley Crooke (1989-present)

Gründung von Ionis Pharmaceuticals und Pionierarbeit bei Antisense-Oligonukleotid-Therapeutika; Entwicklung mehrerer von der FDA zugelassener Medikamente, darunter Nusinersen (Spinraza) gegen spinale Muskelatrophie, was das klinische Potenzial modifizierter Nukleinsäuren demonstriert.

John Chaput (2010s-present)

Die Entwicklung von TNA-Polymerasen wurde vorangetrieben und die Entwicklung von TNA-Aptameren an der University of California, Irvine demonstriert, wodurch der praktische Nutzen der Threose-Nukleinsäure für biotechnologische Anwendungen erweitert wurde.

Vitor Pinheiro (2012)

Schlüsselforscher in Holligers Labor, der die Polymerasen entwickelte, die in der Lage sind, mehrere XNA-Typen zu synthetisieren und rückwärts zu transkribieren, was den bahnbrechenden Nachweis der Vererbung und Evolution von XNA ermöglichte.

🎓 Lernressourcen

💬 Nachricht an Lernende

{'encouragement': "You are exploring a frontier where chemistry meets biology meets medicine. XNA shows us that life's genetic code is not limited to DNA and RNA -- there are whole new alphabets waiting to be discovered. Your curiosity about these alternative genetic systems puts you at the cutting edge of science.", 'reminder': 'Over 25 FDA-approved drugs already use modified nucleic acid chemistry, treating diseases from spinal muscular atrophy to hereditary blindness. The XNA science you are learning about here is not theoretical -- it is saving lives right now and will save many more in the coming decades.', 'action': 'Start by selecting TNA in the simulator and building a short sequence. Compare its properties with natural DNA. Then explore FANA and try the XNAzyme lab to see how artificial enzymes can target cancer mutations. Each XNA type has unique strengths -- discover what makes each one special.', 'dream': 'We dream of a world where XNA-based medicines are affordable and accessible to patients everywhere, where genetic diseases that devastate communities in the developing world are treated with precision therapies, and where every student can explore the molecular diversity of life.', 'wiaVision': 'WIA Book believes that the future of medicine is written in alternative genetic codes, and that understanding these codes should be a right, not a privilege. Through free, interactive simulators in 206 languages, we are bringing the XNA revolution to every learner on the planet.'}

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