Med več sto aminokislinami, ki se pojavljajo na Zemlji, jih življenje iz nekega razloga potrebuje 20 specifičnih vrst, ki so gradniki vseh beljakovin. Čeprav nekatere vrste iz ponudbe uporabljajo več – nekateri mikrobi celo 22 –, še nikoli niso našli organizma, ki bi uporabljal manj kot omenjenih 20 aminokislin.
Strokovnjaki pa so se pred kratkim približali ustvarjanju takega organizma, potem ko so iz bakterije Escherichia coli delno odstranili eno od 20 aminokislin. V raziskavi, ki je bila v reviji Science predstavljena, so z umetno inteligenco iskali alternative aminokislini izolevcin v ducatu beljakovin, ki sestavljajo ribosome bakterij. Rezultati ponujajo vpogled v to, kako so lahko živele prejšnje, preprostejše oblike življenja, in ponujajo nove metode za sintezo beljakovin s posebnimi funkcijami v medicini in biotehnologiji.
»To je res drzna, zabavna zamisel,« pravi Tom Ellis, raziskovalec sintetičnih genomov z Imperial College London, ki pri zdajšnjem delu ni sodeloval. Spremenjene bakterije same po sebi morda nimajo neposredne uporabe, a rezultati dokazujejo zmožnosti umetne inteligence pri napovedovanju zgradbe beljakovin in lahko olajšajo načrtovanje beljakovin.
V prejšnjih raziskavah so strokovnjaki že spremenili genetsko kodo bakterij, kvasovk in drugih organizmov, da bi vgradili dodatne aminokisline, naj bodo naravne ali sintetične. (Nekatere farmacevtske spojine, na primer semaglutid za hujšanje in proti sladkorni bolezni, se prav tako izdelujejo iz t. i. nekanoničnih aminokislin, ki povečajo stabilnost spojine.)
Harris Wang, sistemski in sintetični biolog z Univerze Columbia, pa se je že dolgo spraševal, ali lahko organizmi shajajo tudi z manj gradniki – navsezadnje tudi najzgodnejše oblike življenja niso mogle nastati s celotnim naborom. Da bi ocenili, kateri gradnik je lahko najbolj nepotreben, je ekipa preučila, kako pogosto se v beljakovinah različnih vrst bakterij posamezne aminokisline naravno zamenjajo z drugo. Ugotovili so, da je izolevcin pogosto nadomeščen, običajno z strukturno podobno aminokislino, na primer z valinom ali levcinom.
Raziskovalna skupina je nato pozornost usmerila na ribosom. Popolna odstranitev aminokisline iz tega mehanizma je ena najtežjih stvari, ki si jih je mogoče zamisliti, ker je to največji in najkompleksnejši beljakovinski kompleks v celici, pravi Wang. Raziskovalci so najprej poskusili izrezati izolevcin iz vseh 50 beljakovinskih podenot v bakterijskem ribosomu, ki vsebujejo to aminokislino. Ustvarili so različne seve E. coli, v vsakem s spremembo enega gena, da bi zaporedja DNK, ki kodirajo izolevcin, zamenjali s tistimi, ki kodirajo valin. Pri več kot tretjini spremenjenih beljakovin (pri 18 od 50) se je ta metoda obnesla, tako pridobljeni bakterijski sevi pa so rasli normalno.
Orodja umetne inteligence, ki iz zaporedij aminokislin napovedujejo zgradbo beljakovine ali obratno, so omogočila načrtovanje zamenjav v preostalih 32 podenotah. Računalniška orodja so na primer predlagala zamenjavo sosednjih aminokislin izolevcina ali nadomestitev oddaljene aminokisline, ki v zvito beljakovini medsebojno deluje z zadevnim mestom. V nekaterih primerih pa je moral Wangov tim zamenjati prav vsako aminokislino v beljakovini, preden so našli kombinacijo, s katero je bakterija lahko rasla.
Ko so uspešno spremenili posamezne beljakovine, so raziskovalci poskusili 21 prepisanih ribosomskih beljakovin združiti v eni sami bakteriji. To ni delovalo takoj, a z nadaljnjim izpopolnjevanjem jim je uspelo ustvariti sev, ki je lahko rasel, čeprav razmeroma počasi. Wang pravi, da njegova ekipa z nestrpnostjo čaka, da bo metodo lahko uporabila na preostalem genomu E. coli – in morda poskusila ustvariti bakterijo, sestavljeno iz le 18 aminokislin. Organizmi, ki so manj odvisni od določenih aminokislin, lahko po mnenju strokovnjakov bolje preživijo v neprijaznem okolju ali se uprejo virusnim okužbam.
Popolna odstranitev aminokisline »sprosti« tudi specifična zaporedja DNK, ki jo običajno kodirajo – ta zaporedja bi bilo tako mogoče preusmeriti za kodiranje drugih, morda sintetičnih aminokislin z namenom ustvarjanja novih zdravil ali drugih molekul, dodajajo. Zanimivo je, da so se spremembe, ki jih je ekipa naredila pri E. coli, zdele razmeroma stabilne: po 450 generacijah se spremenjena E. coli ni vrnila k uporabi izolevcina v spremenjenih beljakovinah. Ta ugotovitev podpira zamisel, da je zgodnje življenje nekaj časa verjetno dobro shajalo tudi z ožjo paleto, meni Ellis.
