Od stotina aminokiselina koje se pojavljuju na Zemlji, za život je iz nekog razloga potrebno 20 specifičnih vrsta, koje su građevni elementi svih proteina. Iako neke vrste koriste i više njih iz ponude – neki mikrobi čak 22 – nikad nije pronađen organizam koji bi koristio manje od tih 20 aminokiselina.
Nedavno su se stručnjaci ipak približili stvaranju takvog organizma, nakon što su iz bakterije Escherichia coli djelomično uklonili jednu od 20 aminokiselina. U istraživanju objavljenom u časopisu Science i opisanom umjetna je inteligencija korištena za pronalaženje alternativa aminokiselini izoleucin u desetak proteina koji čine ribosome bakterija. Rezultati pružaju uvid u to kako su mogli živjeti raniji, jednostavniji oblici života te nude nove metode u medicini i biotehnologiji za sintezu proteina s jedinstvenim funkcijama.
„To je doista smjela, zabavna ideja”, kaže Tom Ellis, istraživač sintetskih genoma na Imperial College London, koji nije sudjelovao u ovom radu. Modificirane bakterije same po sebi možda nemaju izravnu primjenu, ali rezultati pokazuju sposobnosti umjetne inteligencije u predviđanju struktura proteina i mogli bi olakšati dizajn proteina.
U ranijim istraživanjima stručnjaci su već modificirali genetski kod bakterija, kvasaca i drugih organizama kako bi ugradili dodatne aminokiseline, bile one prirodne ili sintetske. (Neki farmaceutski spojevi, primjerice semaglutid za mršavljenje i protiv dijabetesa, proizvode se iz takozvanih nekanonskih aminokiselina, koje povećavaju stabilnost spoja.)
Harris Wang, sistemski i sintetski biolog sa Sveučilišta Columbia, međutim, već se dugo pitao mogu li organizmi preživjeti s manje građevnih elemenata – ta ni najraniji oblici života nisu mogli nastati s potpunim skupom. Kako bi procijenio koji građevni element može biti najdispenzabilniji, tim je ispitao koliko se često u proteinima različitih vrsta bakterija pojedine aminokiseline prirodno zamjenjuju nekom drugom. Utvrdili su da se izoleucin često zamjenjuje, obično strukturno sličnom aminokiselinom, primjerice valinom ili leucinom.
Istraživački tim potom je usmjerio pozornost na ribosom. Potpuno uklanjanje aminokiseline iz tog stroja jedna je od najtežih stvari koje se mogu zamisliti, jer je to najveći i najsloženiji proteinski kompleks stanice, kaže Wang. Istraživači su najprije pokušali izrezati izoleucin iz svake od 50 proteinskih podjedinica u bakterijskom ribosomu koje sadrže tu aminokiselinu. Stvorili su različite sojeve bakterije E. coli, u svakom izmjenom jednog gena, kako bi DNK sekvence koje kodiraju izoleucin zamijenili onima koje kodiraju valin. Kod više od trećine modificiranih proteina (18 od 50) ta je metoda uspjela, a tako dobiveni bakterijski sojevi rasli su normalno.
Alati umjetne inteligencije koji na temelju aminokiselinskih sekvenci predviđaju strukturu proteina, ili obrnuto, pružili su mogućnost planiranja zamjena u preostale 32 podjedinice. Računalni alati predložili su, primjerice, da se zamijene susjedne aminokiseline izoleucina ili da se zamijeni neka udaljena aminokiselina koja u savijenom proteinu stupa u interakciju s dotičnim mjestom. U nekim je slučajevima Wangov tim morao zamijeniti svaku pojedinu aminokiselinu proteina prije nego što je pronađena kombinacija s kojom je bakterija mogla rasti.
Nakon što su uspješno modificirali pojedine proteine, istraživači su pokušali u jednoj bakteriji kombinirati 21 od prepisanih ribosomskih proteina. To nije odmah uspjelo, ali daljnjim doradama uspjeli su stvoriti soj koji je mogao rasti, iako razmjerno sporo. Prema Wangovim riječima, njegov tim s uzbuđenjem čeka da metodu primijeni na ostatak genoma bakterije E. coli – i možda pokuša stvoriti bakteriju sa samo 18 aminokiselina. Organizmi koji manje ovise o određenim aminokiselinama mogli bi bolje preživjeti u neprijateljskom okruženju ili se oduprijeti virusnim infekcijama, smatraju stručnjaci.
Potpuno uklanjanje jedne aminokiseline „oslobađa” i specifične DNK sekvence koje je inače kodiraju – pa bi se te sekvence mogle preraspodijeliti za kodiranje drugih, možda sintetskih aminokiselina radi stvaranja novih lijekova ili drugih molekula, dodaju oni. Zanimljivo je da su promjene koje je tim napravio na bakteriji E. coli djelovale razmjerno stabilno: nakon 450 generacija modificirana E. coli nije se vratila korištenju izoleucina u modificiranim proteinima. Taj nalaz podupire zamisao da je rani život neko vrijeme vjerojatno dobro funkcionirao i sa skromnijom paletom, smatra Ellis.
