|
Ученые изменили фундаментальный код жизни
|
|
|
|
Жизнь — по крайней мере, в том виде, в каком мы ее знаем — нуждается в 20 аминокислотах, которые она соединяет в белки, из которых строятся живые ткани. Однако до сих пор остается загадкой, каким образом жизнь на самом деле получила как минимум 20 канонических аминокислот (CAA) на своем пути от первобытного ила. Некоторые виды микроорганизмов используют до 22 аминокислот, но ни один вид на Земле не использует менее 20.
|
|
|
|
Однако, возможно, так было не всегда. Заинтересовавшись тем, как предшественники жизни могли появиться на враждебной молодой Земле до того, как LUCA (последний Универсальный предок всех организмов) наконец появился на свет, группа исследователей из Колумбийского университета решила выяснить, могли ли зародившиеся тогда микробы питаться менее чем 20 аминокислотами.
|
|
|
|
“Многочисленные данные свидетельствуют о возможности существования жизни с более ограниченным аминокислотным алфавитом”, - говорится в исследовании, недавно опубликованном в журнале Science. “Несколько групп аминокислот обладают высокой степенью биохимического сходства и потенциальной функциональной избыточности [...] [и] компьютерное моделирование структуры белка предполагает, что для построения почти всех белковых структур требуется всего от 9 до 12 аминокислот”.
|
|
|
|
|
|
|
В цепи ДНК каждая последовательность из трех нуклеотидов, известная как кодон, кодирует информацию для получения определенной аминокислоты. Аденин, цитозин, гуанин, тиамин и урацил - вот некоторые из наиболее известных аминокислот, но есть много других, которые остаются незамеченными при изучении биологии в старших классах. Изолейцин, например, обычно не обнаруживается на выпускных экзаменах. У людей он участвует как в обмене веществ, так и в иммунной системе. Для его синтеза также требуется огромное количество энергии, и из-за этого на протяжении всей эволюции его часто заменяли. В результате, при поиске аминокислоты, без которой бактерии кишечной палочки могли бы жить, исследовательская группа решила, что изолейцин был бы многообещающим кандидатом.
|
|
|
|
Было обнаружено, что мутировавшие бактерии E.coli, испытывающие недостаток в соединении, содержащем изолейцин, поддерживают свое существование с помощью валина, который достаточно похож на изолейцин, чтобы иногда заменять его в природе. Искусственное внесение этой замены может привести к созданию микроба, способного выживать, используя всего 19 аминокислот. Чтобы произвести эту замену, команда должна была точно определить, какие участки генома E.coli им нужно отредактировать, чтобы создать модифицированный вид, который они назвали Ec19 — процесс, который потребовал бы внесения изменений в более чем 81 000 участков генома.
|
|
|
|
Учитывая это, команда решила сосредоточиться на чем-то менее пугающем и сосредоточилась на рибосомах кишечной палочки, которые синтезируют белки. Каждая рибосома также состоит из 50 белков. В ходе этого процесса изолейцин был заменен либо на валин, либо на лейцин в 39 генах E.coli, которые были либо необходимы, либо имели высокую экспрессию.
|
|
|
|
К сожалению, у большинства клеток, в которых изолейцин был заменен на валин, возникли проблемы с ростом или они в конечном итоге погибли. Видя это, исследователи решили обучить специализированные алгоритмы искусственного интеллекта (известные как модели белкового языка) создавать новые последовательности аминокислот, одновременно предсказывая, как эти последовательности будут взаимодействовать друг с другом и включаться в белки. Цель исследования состояла в том, чтобы проверить, сколько аминокислот исследователи могут выделить, сохранив при этом жизнеспособность организма.
|
|
|
|
Согласно Science, алгоритмы вносили предложения по внесению изменений, которые приводили к “неинтуитивным последовательностям рибосомальных белков”, которые использовались для компенсации недостающей аминокислоты. Изолейцин естественным образом отсутствует в двух из 52 рибосомных белков E.coli, поэтому исследователи надеялись, что их процесс с помощью искусственного интеллекта сможет предложить жизнеспособные идеи по реструктуризации остальных 50 белков. Они решили использовать некоторые из этих предложений, чтобы проверить возможности существования бактерий E. coli в своей лаборатории. После создания нескольких модификаций, которые боролись за выживание, они успешно разработали версию E. coli.бактерии кишечной палочки, в которых 21 рибосомальный белок содержался без изолейцина. Несмотря на то, что новый штамм рос несколько медленнее, чем обычная бактерия E.coli, он сумел выжить, не “исправляя” изменения, и произвел более 450 поколений с модифицированной рибосомой.
|
|
|
|
Хотя это не совсем тот Ec19, который они искали, поскольку технически организму все еще требуется 20 аминокислот — хотя изолейцин систематически удалялся из рибосомных белков, большая часть генома бактерии по—прежнему нуждалась в использовании изолейцина, - исследователи с оптимизмом смотрят на то, чтобы в будущем переосмыслить жизнь микробов, состоящих из 19 аминокислот. Это может привести к новаторским применениям в биотехнологии, синтетической биологии и материаловедении. Живой пример микроба, способного выживать, питаясь всего 19 аминокислотами, также может рассказать нам больше о зарождении жизни на Земле и намекнуть на гипотетические формы жизни, которые могли бы существовать на других спутниках и планетах.
|
|
|
|
“Хотя все еще существуют предположения относительно того, какие аминокислоты были добавлены в LUCA совсем недавно, наше исследование предполагает, что современный код аминокислотного алфавита может быть сокращен”, - сказали они. “Наши усилия представляют собой крупнейшие целенаправленные изменения последовательности [...], в то же время внося [значительные] изменения”.
|
|
|
|
Источник
|
