Из сотен видов аминокислот, встречающихся на Земле, остается загадкой, почему жизнь остановилась лишь на 20 в качестве строительных блоков для всех белков.
Хотя некоторые виды могут использовать больше — некоторые микробы используют до 22 аминокислот, — никто никогда не встречал бактерию, которая использовал бы меньше. Но теперь ученые приблизились к созданию такого организма, частично исключив одну из 20 аминокислот из бактерии Escherichia coli. В исследовании, опубликованном на днях в журнале Science, искусственный интеллект (ИИ) использовал альтернативу аминокислоте изолейцину, содержащейся в десятках белков, составляющих бактериальные рибосомы — белковые фабрики клетки. Полученные результаты дают представление о том, как существовали более ранние, простые формы жизни, и предлагают новые способы синтеза белков с заданными функциями в медицине и биотехнологии.
“Это действительно смелая и забавная идея”, - говорит Том Эллис, исследователь в области разработки синтетических геномов, который не принимал участия в работе. Сами по себе модифицированные бактерии, возможно, не найдут немедленного применения, но полученные результаты демонстрируют способность искусственного интеллекта предсказывать структуру белков и могут упростить создание дизайнерских белков в будущем, добавил он.
В предыдущей работе исследователи отредактировали генетический код бактерий, дрожжей и других организмов, включив в него дополнительные аминокислоты, как природного происхождения, так и синтетические. (Некоторые фармацевтические соединения, такие как препарат для похудения и лечения диабета семаглутид, также содержат так называемые неканонические аминокислоты, которые, например, повышают стабильность соединения.) Но специалист по синтетической биологии Харрис Ванг давно задавался вопросом, могли ли организмы обойтись меньшим количеством строительных блоков — в конце концов, самые ранние формы жизни не могли возникнуть с полным набором аминокислот.
Чтобы оценить, какой блок может оказаться наиболее востребованным, исследователи изучили, как часто каждая аминокислота естественным образом заменяется на другую в белках различных типов бактерий. Они обнаружили, что изолейцин часто заменялся, как правило, сходной по структуре аминокислотой, такой как валин или лейцин. По словам Ванга, полностью исключить аминокислоту из рибосомального механизма синтеза белка - “едва ли не самое сложное, о чем вы могли бы подумать, потому что это самый большой и сложный белковый комплекс в клетке".
Сначала исследователи попытались выделить изолейцин из каждой из 50 белковых субъединиц в бактериальной рибосоме, которая содержит эту аминокислоту. Они создали различные штаммы кишечной палочки, у каждого из которых был отредактирован свой ген, чтобы заменить любые последовательности ДНК, кодирующие изолейцин, на последовательности, кодирующие валин. Более чем для трети модифицированных белков - 18 из 50 — этот подход сработал, и полученные штаммы бактерий росли нормально.
Инструменты ИИ, которые предсказывают структуру белка по аминокислотным последовательностям, предложили способы компенсировать замены в других 32 субъединицах и восстановить исходные структуры белка. ИИ предлагал, например, заменить аминокислоты, соседствующие с замененным изолейцином, или заменить удаленную аминокислоту, которая взаимодействует с измененным участком в свернутом белке. Тем не менее, в некоторых случаях исследователям приходилось прибегать к "грубой силе", заменяя каждую аминокислоту белка, пока не находилась комбинация, которая восстанавливала рост бактерий.
Успешно изменив каждый белок по отдельности, исследователи попытались объединить 21 из переписанных рибосомных белков в одной бактерии. Это сработало не сразу, но с дальнейшими усовершенствованиями им удалось создать штамм, который мог расти, хотя и относительно медленно. “Сократить алфавит жизни до 19 аминокислот - это довольно масштабное мероприятие”, - считает специалист по белковой инженерии Кристофер Сноу, который не принимал участия в работе. Хотя авторам экспериментов не удалось достичь этого для всех рибосомы одновременно, исследование, тем не менее, “очень впечатляющее” и помогает “углубить понимание законов строения жизни”.
Ванг и коллеги собираются применить этот подход к остальной части генома E. coli и, возможно, попробовать создать бактерию, содержащую всего 18 аминокислот. Организмы с пониженной зависимостью от определенных аминокислот могут лучше выживать во враждебной среде или противостоять вирусным инфекциям, предполагает он. Полное удаление аминокислоты также “освобождает” специфические последовательности ДНК, которые обычно ее кодируют, поэтому эти последовательности могут быть переназначены для кодирования других, возможно, синтетических аминокислот для создания новых лекарств или других молекул.
Интересно, что изменения, внесенные учеными в E. coli, оказались относительно стабильными, отмечает Сноу: после 450 поколений модифицированная E. coli не вернулась к использованию изолейцина в модифицированных белках. Это открытие “подтверждает идею о том, что [в начале] жизни, вероятно, какое-то время использовалась меньшая палитра”, - говорит он. “Даже для очень больших машин, таких как рибосома, необязательно использовать все 20 аминокислот”.
