Zo stoviek aminokyselín, ktoré sa vyskytujú na Zemi, potrebuje život z nejakého dôvodu 20 konkrétnych druhov, ktoré sú stavebnými prvkami všetkých bielkovín. Niektoré druhy síce využívajú aj ďalšie – niektoré mikróby dokonca až 22 –, no dosiaľ sa nenašiel žiadny organizmus, ktorý by používal menej než spomínaných 20 aminokyselín.
Vedci sa však nedávno priblížili k vytvoreniu takéhoto organizmu, keď z baktérie Escherichia coli čiastočne odstránili jednu z 20 aminokyselín. Vo výskume opísanom v časopise Science využili umelú inteligenciu na hľadanie náhrad za aminokyselinu izoleucín v tucte bielkovín tvoriacich bakteriálne ribozómy. Výsledky naznačujú, ako mohli žiť dávne, jednoduchšie formy života, a ponúkajú nové možnosti syntézy bielkovín s osobitnými funkciami pre medicínu a biotechnológie.
„Je to naozaj odvážny a zábavný nápad,“ hovorí Tom Ellis, ktorý na Imperial College London skúma syntetické genómy a na tejto práci sa nepodieľal. Samotné upravené baktérie možno nemajú priame praktické využitie, výsledky však ukazujú schopnosti umelej inteligencie pri predpovedaní štruktúry bielkovín a môžu uľahčiť ich navrhovanie.
Vedci už v predchádzajúcich výskumoch upravovali genetický kód baktérií, kvasiniek a ďalších organizmov tak, aby do bielkovín začleňovali ďalšie aminokyseliny, či už prirodzene sa vyskytujúce, alebo syntetické. (Aj niektoré liečivá, napríklad semaglutid používaný na chudnutie a liečbu cukrovky, sa vyrábajú z takzvaných nekanonických aminokyselín, ktoré zvyšujú stabilitu zlúčeniny.)
Harris Wang, systémový a syntetický biológ z Kolumbijskej univerzity, si však už dlho kládol otázku, či si organizmy dokážu vystačiť aj s menším počtom stavebných prvkov. Veď ani najranejšie formy života nemohli vzniknúť s kompletnou súpravou. Aby vedci zistili, ktorý stavebný prvok by sa dal najľahšie vynechať, preskúmali, ako často sa jednotlivé aminokyseliny v bielkovinách rôznych typov baktérií prirodzene nahrádzajú inými. Zistili, že izoleucín býva často nahradený, spravidla štruktúrne podobnou aminokyselinou, napríklad valínom alebo leucínom.
Výskumníci potom obrátili pozornosť na ribozóm. Úplne odstrániť jednu aminokyselinu z tohto aparátu je podľa Wanga jedna z najťažších úloh, aké si možno predstaviť, pretože ide o najväčší a najzložitejší bielkovinový komplex v bunke. Vedci sa najprv pokúsili odstrániť izoleucín zo všetkých 50 bielkovinových podjednotiek bakteriálneho ribozómu, ktoré túto aminokyselinu obsahujú. Vytvorili rôzne kmene E. coli, pričom v každom upravili jeden gén tak, aby sekvencie DNA kódujúce izoleucín nahradili sekvenciami kódujúcimi valín. Pri viac než tretine upravených bielkovín (18 z 50) tento postup fungoval a výsledné bakteriálne kmene rástli normálne.
Nástroje umelej inteligencie, ktoré zo sekvencií aminokyselín predpovedajú štruktúru bielkoviny alebo postupujú opačným smerom, umožnili navrhnúť zámeny vo zvyšných 32 podjednotkách. Počítačové nástroje napríklad navrhli vymeniť aminokyseliny susediace s izoleucínom alebo nahradiť vzdialenú aminokyselinu, ktorá s daným miestom interaguje v poskladanej bielkovine. V niektorých prípadoch museli Wang a jeho kolegovia vymeniť každú jednu aminokyselinu bielkoviny, kým našli kombináciu, ktorá baktérii umožnila rásť.
Po úspešnej úprave jednotlivých bielkovín sa vedci pokúsili spojiť 21 prepracovaných ribozómových bielkovín v jednej baktérii. Nefungovalo to hneď, no ďalšími úpravami sa im podarilo vytvoriť kmeň schopný rastu, hoci pomerne pomalého. Wang hovorí, že sa s kolegami tešia na uplatnenie tejto metódy aj na zvyšok genómu E. coli – a možno sa pokúsia vytvoriť baktériu, ktorá by využívala iba 18 aminokyselín. Podľa odborníkov by organizmy menej závislé od určitých aminokyselín mohli lepšie prežívať v nehostinnom prostredí alebo odolávať vírusovým infekciám.
Úplné odstránenie jednej aminokyseliny zároveň „uvoľní“ konkrétne sekvencie DNA, ktoré ju bežne kódujú. Tieto sekvencie by sa tak dali priradiť iným, možno syntetickým aminokyselinám na tvorbu nových liekov či ďalších molekúl, dodávajú vedci. Zaujímavé je, že zmeny vykonané v baktérii E. coli sa ukázali ako pomerne stabilné: ani po 450 generáciách sa upravená E. coli nevrátila k používaniu izoleucínu v upravených bielkovinách. Podľa Ellisa toto zistenie podporuje predstavu, že raný život si istý čas pravdepodobne dobre vystačil aj s užším výberom aminokyselín.
