Жизнь на Земле построена на 20 стандартных аминокислотах. Это азбука, из которой составлены все белки — от человеческого коллагена до бактериальных токсинов. Правило казалось незыблемым.
Команда исследователей с помощью ИИ создала штамм кишечной палочки E. coli, который обходится всего 19 аминокислотами, они удалили изолейцин. Бактерия оказалась жива, более того, ее рибосомы — молекулярные машины, собирающие белки, — перестроились и работают без привычного «кирпичика». Это первый в истории организм с неполным набором аминокислот. И он открывает путь к синтетической биологии, о которой мы даже не мечтали.
Все белки в природе, за редкими исключениями, собираются из 20 аминокислот. Ученые уже умели добавлять «буквы» в этот алфавит (создавая бактерии с 21 или 22 аминокислотами). Но удалить одну из базовых считалось невозможным — слишком фундаментальна ее роль.
Почему изолейцин?
Исследователи выбрали изолейцин (Isoleucine, Ile). У него есть «химические братья-близнецы» — лейцин и валин, которые выполняют похожие функции. Это повышало шанс, что другие аминокислоты смогут его заменить.
Но задача была чудовищно сложна. Ученые не могли переписывать всю ДНК бактерии — это миллиарды вариантов. Вместо этого они сосредоточились на рибосоме — фабрике по производству белков. В рибосоме E. coli насчитывается 382 «кирпичика» изолейцина. Их нужно было заменить на другие аминокислоты, не сломав сложнейший механизм.
Как помог ИИ
Ученые использовали модели белкового языка (Protein Language Models) — ИИ, обученный на миллионах известных белковых последовательностей. Им не нужны были точные предсказания 3D-структур. Достаточно было того, что модель подскажет заменители для изолейцина в определенных позициях рибосомы, сохранив функцию.
ИИ предлагал дикие комбинации, которые человек никогда бы не придумал. Он анализировал невероятное количество вариантов и давал те, которые можно проверить в лаборатории.
Результаты
| Этап эксперимента | Результат |
| Замена изолейцина на альтернативные аминокислоты в отдельных белках рибосомы | 18 из 50 штаммов росли нормально |
| Объединение 21 переписанного рибосомного белка в один штамм E. coli | Жизнеспособный штамм с 19 аминокислотами (растет медленнее обычного) |
| Полное удаление изолейцина из среды | Бактерия выживает, используя только 19 аминокислот |
Природа использовала 20 аминокислот миллиарды лет. Эволюция не переписывала этот базовый алфавит. Человек, с помощью ИИ, смог это сделать. Удалив одну букву, ученые доказали, что генетический код более гибок, чем считалось. Рибосома — древнейший механизм жизни — способна перестраиваться. Это подтверждает теорию о том, что ранние формы жизни могли использовать меньше 20 аминокислот, постепенно «изобретая» новые. А в перспективе — перед нами возможность создавать организмы для замкнутых экосистем (космические корабли, колонии на Марсе), где нет полного набора «кирпичиков», или синтетические клетки, зависимые от искусственных аминокислот, которые не найдут в природе.