A Földön előforduló több száz aminosav közül az élethez valamiért 20 specifikus típus kell, amelyek minden fehérje építőelemei. Bár egyes fajok többet is felhasználnak a kínálatból – egyes mikrobák akár 22-t is –, még soha nem találtak olyan élőlényt, amely a kérdéses 20 aminosavnál kevesebbet használna.

Nemrégiben azonban a szakértők közelebb kerültek egy ilyen organizmus létrehozásához, miután részlegesen eltávolították a 20 aminosav egyikét az Escherichia coli baktériumból. A Science folyóiratban ismertetett kutatás során mesterséges intelligenciát használtak arra, hogy alternatívákat találjanak az izoleucin aminosav helyett a baktériumok riboszómáit alkotó tucatnyi fehérjében. Az eredmények bepillantást nyújtanak abba, hogyan élhettek a korábbi, egyszerűbb életformák, és új módszereket kínálnak az orvostudományban és a biotechnológiában egyedi funkciókkal rendelkező fehérjék szintetizálására.

„Ez egy igazán merész, szórakoztató ötlet” – mondja Tom Ellis, az Imperial College London szintetikus genomokon dolgozó kutatója, aki nem vett részt a mostani munkában. A módosított baktériumoknak önmagukban talán nincs közvetlen alkalmazásuk, de az eredmények demonstrálják az MI képességeit a fehérjeszerkezetek előrejelzésében, és megkönnyíthetik a fehérjetervezést.

Korábbi kutatások során a szakértők már módosították a baktériumok, élesztők és más organizmusok genetikai kódját, hogy további aminosavakat építsenek be, legyenek azok a természetben előfordulók vagy szintetikusak. (Egyes gyógyszerészeti vegyületeket, például a fogyókúrás és cukorbetegség elleni szemaglutidot is úgynevezett nem kanonikus aminosavakból állítják elő, amelyek növelik a vegyület stabilitását.)

Harris Wang, a Columbia Egyetem rendszer- és szintetikus biológusa azonban már régóta azon tűnődött, vajon az organizmusok kevesebb építőelemmel is boldogulhatnak-e – elvégre az élet legkorábbi formái sem jöhettek létre a teljes készlettel. Annak értékeléséhez, hogy melyik építőelem lehet a leginkább nélkülözhető, a csapat megvizsgálta, hogy a különböző baktériumtípusok fehérjéiben milyen gyakran cserélődnek ki természetesen az egyes aminosavak egy másikra. Megállapították, hogy az izoleucin gyakran helyettesítődik, általában egy szerkezetileg hasonló aminosavval, például valinnal vagy leucinnal.

A kutatócsoport ezután a riboszómára irányította figyelmét. Egy aminosav teljes eltávolítása ebből a gépezetből az egyik legnehezebb dolog, amit el lehet képzelni, mert ez a sejt legnagyobb és legbonyolultabb fehérjekomplexe, mondja Wang. A kutatók először megpróbálták kivágni az izoleucint a bakteriális riboszómában található 50 fehérje-alegység mindegyikéből, amely tartalmazza ezt az aminosavat. Különböző E. coli törzseket hoztak létre, mindegyikben egy-egy gén módosításával, hogy az izoleucint kódoló DNS-szekvenciákat valint kódolókra cseréljék. A módosított fehérjék több mint egyharmadánál (50-ből 18-nál) ez a módszer bevált, és az így kapott baktériumtörzsek normálisan növekedtek.

Az olyan MI-eszközök, amelyek az aminosav-szekvenciákból jósolják meg a fehérje szerkezetét, vagy fordítva, lehetőséget nyújtottak a többi 32 alegységben történt cserék megtervezésére. A számítógépes eszközök például azt javasolták, hogy cseréljék le az izoleucin szomszédos aminosavait, vagy helyettesítsenek egy távoli aminosavat, amely kölcsönhatásba lép a kérdéses hellyel az összehajtogatódott fehérjében. Néhány esetben pedig Wang csapatának a fehérje minden egyes aminosavját ki kellett cserélnie, mire megtalálták azt a kombinációt, amellyel a baktérium növekedni tudott.

Miután sikeresen módosították az egyes fehérjéket, a kutatók megpróbálták az átírt riboszomális fehérjék közül 21-et egyetlen baktériumban kombinálni. Ez nem működött azonnal, de további finomításokkal sikerült létrehozniuk egy törzset, amely képes volt növekedni, bár viszonylag lassan. Wang elmondása szerint csapata izgatottan várja, hogy a módszert az E. coli genom többi részére is alkalmazhassa – és talán megpróbáljon létrehozni egy csupán 18 aminosavból álló baktériumot. Azok az organizmusok, amelyek kevésbé függnek bizonyos aminosavaktól, jobban túlélhetik a barátságtalan környezetet, vagy ellenállhatnak a vírusfertőzéseknek, vélik a szakértők.

Egy aminosav teljes eltávolítása „felszabadítja” azokat a specifikus DNS-szekvenciákat is, amelyek általában azt kódolják – így ezeket a szekvenciákat át lehetne rendelni más, talán szintetikus aminosavak kódolására új gyógyszerek vagy más molekulák létrehozása céljából, teszik hozzá. Érdekes módon a csapat által az E. coliban végzett változtatások viszonylag stabilnak tűntek: 450 generáció után a módosított E. coli nem tért vissza az izoleucin használatához a módosított fehérjékben. Ez a megállapítás alátámasztja azt az elképzelést, hogy a korai élet egy ideig valószínűleg jól megvolt egy szűkebb palettával is, véli Ellis.