Содержание статьи:
Природа выбрала для построения белков всего двадцать аминокислот. Но почему именно двадцать? Ведь в природе встречаются сотни разных аминокислот, и многие из них очень похожи друг на друга. Это натолкнуло учёных на смелую мысль: а может ли живой организм обойтись меньшим набором? Недавнее исследование показало, что да. Биологи смогли создать бактерию, которая прекрасно себя чувствует с девятнадцатью аминокислотами вместо привычных двадцати. Это меняет представление о том, насколько жёстко записан наш генетический код.
Почему изолейцин оказался лишним
Прежде чем удалять аминокислоту, исследователи проанализировали все двадцать и выбрали кандидата на вылет. Им стал изолейцин. По химическому строению он почти неотличим от валина — другой аминокислоты. Учёные рассудили: если белок может случайно встроить валин вместо изолейцина и всё равно работать, значит, изолейцин не так уж незаменим. Но просто заменить один «кирпичик» на другой было недостаточно. В колбе это срабатывало лишь в 43% случаев. Чтобы поднять точность, на помощь призвали искусственный интеллект.
ИИ подсказал, куда вставить валин
Нейросеть AlphaFold2, умеющая предсказывать трёхмерную структуру белков, помогла инженерам понять, где именно можно заменить изолейцин на валин без риска, что белок свернётся неправильно и перестанет работать. Учёные перепроектировали рибосомы — клеточные «станции» по сборке белка — так, чтобы они научились выпускать 52 вида белков без единой молекулы изолейцина. Затем из этих деталей собрали один штамм кишечной палочки. Его назвали Ec19. В нём ровно девятнадцать аминокислот.
- Главная цель исследования — проверить, может ли клетка жить без одной аминокислоты;
- Изолейцин выбран из-за сходства с валином;
- AlphaFold2 помогла подобрать замену в каждом конкретном месте белка;
- Учёные модифицировали рибосомы, чтобы они синтезировали белки без изолейцина;
- Готовый штамм назвали Ec19.
Как Ec19 чувствовала себя в лаборатории
Результат превзошёл ожидания. Новая бактерия оказалась на удивление устойчивой. Она росла почти с той же скоростью, что и обычная кишечная палочка, на протяжении 450 поколений. За это время учёные расшифровали её геном целиком и не нашли никаких следов попыток «вернуть» изолейцин или переключиться обратно на двадцать аминокислот. Клетка не мутировала, не искала обходных путей — она просто жила с тем, что есть. Это доказывает: универсальный двадцатибуквенный код — не жёсткое правило, а скорее удачная эволюционная находка.
«Двадцатибуквенный код — не жёсткое правило, а скорее удачная эволюционная находка»
Сколько аминокислот нужно на самом деле
В природе встречаются организмы, которые используют 21-ю и даже 22-ю аминокислоту, но никто раньше не находил естественный вид с набором меньше двадцати. Однако некоторые учёные полагают, что самые первые живые клетки, предшественники последнего универсального общего предка (LUCA), обходились гораздо меньшим арсеналом. Многие аминокислоты настолько похожи по свойствам, что их роль дублируется. Компьютерные модели показывают: для построения практически всех известных белковых форм хватило бы всего 9–12 разных аминокислот. К тому же сама клетка не идеальна — примерно 8% белков содержат хотя бы одну ошибочную аминокислоту, и большинство из них всё равно работают нормально.
- В природе никто не живёт меньше чем с 20 аминокислотами;
- Ранние формы жизни, возможно, использовали меньше;
- Из-за сходства многих аминокислот они взаимозаменяемы;
- Даже ошибки при сборке белков не приводят к гибели клетки;
- Компьютерные расчёты подтверждают, что 9–12 аминокислот достаточно для всех белков.
Создание Ec19 — не просто лабораторный курьёз. Это шаг к новой синтетической биологии. Если учёные научатся менять аминокислотный состав клеток по своему усмотрению, они смогут создавать организмы с необычными свойствами — например, способные вырабатывать редкие лекарства или разлагать пластик. Геномное моделирование и синтез ДНК становятся всё точнее и дешевле, а значит, уже в ближайшие годы эксперименты вроде этого войдут в рутину. Вся история жизни на Земле написана двадцатибуквенным алфавитом. Теперь мы знаем, что одну букву можно смело вычеркнуть.