Генетический код по праву считается одной из самых стабильных систем в биологии. Почти все живые организмы на Земле опираются на общую схему: последовательности триплетов ДНК кодируют 20 стандартных аминокислот, из которых строятся белки. Хотя в природе встречаются редкие исключения, фундаментальная природа кода, заложенная ещё у последнего общего предка, остается практически неизменной.
Тем не менее, вопрос о том, как сформировался генетический код, остается одной из величайших загадок биологии. Существует гипотеза, что ранние формы жизни обходились упрощенным набором аминокислот, постепенно расширяя свою «библиотеку». Чтобы проверить эту теорию, исследователи из Колумбийского и Гарвардского университетов решили пойти от обратного — попытаться искусственно сократить современный генетический код.
Цель: выживаемость без изолейцина
Для эксперимента был выбран изолейцин — гидрофобная аминокислота, которая структурно близка к лейцину и валину и часто может ими заменяться. Исследователи проанализировали геном кишечной палочки (Escherichia coli) и обнаружили, что изолейцин чаще других подвергается заменам в эволюционно родственных белках у разных видов. Это сделало его идеальным кандидатом для удаления из системы.
Ученые не стали пытаться переписать весь геном E. coli из 4500 генов сразу, так как это неминуемо привело бы к гибели клетки. Вместо этого они начали с точечных изменений в 36 критически важных генах, где изолейцин заменяли на валин. Результаты показали, что примерно половина модифицированных генов сохранила функциональность, хотя темпы роста бактерий заметно снизились.
ИИ на службе пересборки рибосомы
Следующим этапом стало изменение рибосомы — сложнейшей молекулярной машины, отвечающей за синтез белков. Она состоит из десятков белков и молекул РНК, чья архитектура крайне чувствительна к любым вмешательствам. Тестирование 50 рибосомных белков показало, что лишь малая часть из них способна работать при замене изолейцина на валин. Для остальных же потребовались модели глубокого обучения.
ИИ-алгоритмы предложили альтернативные последовательности аминокислот, которые компенсировали изменения в пространственной структуре белков. Кульминацией проекта стала попытка модифицировать малую субъединицу рибосомы, включающую 21 белок. В процессе эксперимента ученые столкнулись с «узким местом» — белком rplW. Его изменение конфликтовало с другими частями системы, и только после долгого подбора комбинаций был найден работоспособный вариант.
Результаты и выводы
В итоге ученым удалось получить жизнеспособную бактерию, лишенную использования изолейцина. Примечательно, что даже после 400 поколений микроорганизмы не стремились «вернуть» изолейцин обратно, демонстрируя устойчивость новой системы. Однако цена такой модификации была существенной: скорость роста бактерий упала на 30–40% от нормы.
Исследователи подчеркивают, что без поддержки ИИ-моделей, включая структурные предсказания AlphaFold 2, подобная задача была бы невыполнимой. Тем не менее, ученые отмечают и ограничения технологии: ИИ находит работающие решения, но зачастую не может объяснить причины их эффективности, иногда предлагая радикальные перестройки вторичной структуры белков. Это исследование открывает путь к изучению «альтернативной биохимии», однако вопрос о возможности создания организмов с сокращенным кодом, работающих без потери эффективности, остается открытым.
