Elämän rakennuspalikat: E. coli ilman isoleusiinia

Elämä, kuten biologia on sukupolvien ajan opettanut, perustuu 20 aminohapon kokoelmaan. Tämä sääntö vaikuttaa nyt hieman vähemmän ehdottomalta.

Columbia-yliopiston, MIT:n ja Harvardin tutkijat ovat kehittäneet uuden version E. coli -bakteerista, joka selviää ilman isoleusiinia, yhtä niistä 20 kanonisesta aminohaposta, joita on pitkään pidetty elämän perusainesosina. Tällä he näyttävät luoneen ensimmäisen tunnettavan organismin, joka rakentuu vain 19 aminohaposta, merkittävä edistysaskel synteettisessä biologiassa ja provosoiva vihje keskusteluun siitä, miten elämä alun perin syntyi.

Työ, joka on julkaistu lehdessä Science, ylittää aiemman geneettisen näpertelyn rajat. Tutkijat ovat aiemmin laajentaneet geneettistä koodia lisäämällä uusia aminohappoja bakteereihin, hiivoihin ja muihin organismeihin. Yhden aminohapon poistaminen kokonaan on täysin eri haaste. Se tarkoittaa järjestelmän uudelleenohjelmointia, johon evoluutio on käyttänyt miljardeja vuosia.

Kun biologia ei näytä enää pysyvältä

Tiimi valitsi isoleusiinin syystä. Kemiallisesti se muistuttaa leusiinia ja valiinia, mikä tekee siitä yhden korvattavimmista kandidaateista standardissa aminohapposarjassa. Mutta edes tämän edun kanssa kyse ei ollut yksinkertaisesta vaihdosta. Sen sijaan, että jokainen proteiini olisi suunniteltu uudelleen yksi kerrallaan, tutkijat keskittyivät ribosomiin, molekyylikoneeseen, joka kokoaa proteiineja ja on soluelämän keskiössä.

Ribosomin sisällä he korvasivat 382 isoleusiinipaikkaa säilyttäen samalla sen olennaisen toiminnon. Pelkkä tämä olisi hetki sitten kuulostanut epätodennäköiseltä. Läpimurto syntyi käyttämällä tekoälypohjaisia proteiinikielimalleja, jotka ennustivat vaihtoehtoisia proteiinirakenteita ja ehdottivat korvaavia aminohappoja, jotka todennäköisesti pitävät ribosomin toiminnassa ilman puuttuvaa rakennuspalikkaa.

Tällä on merkitystä, koska tekoäly ei vain nopeuttanut tutkimusta. Se esitti molekyylisuunnitelmia, joita ihmistutkijat ehkä eivät olisi koskaan itse kehittäneet. Sen sijaan, että mahdollisuuksia testattaisiin yksi kerrallaan hitaalla intuitiolla, tiimi pystyi seulomaan koneellisesti valtavan joukon käyttökelpoisia yhdistelmiä.

Tulokset olivat parempia kuin moni olisi odottanut. Viidestäkymmenestä muokatusta E. coli-kannasta, joissa isoleusiini korvattiin vaihtoehdoilla, 18 kasvoi normaalisti. Tutkijat yhdistivät sitten 21 uudelleenkirjoitettua ribosomiproteiinia yhdeksi kantamuodoksi. Lisäsäätöjen jälkeen myös tuo organismi kasvoi, vaikkakin hitaammin kuin muokkaamaton E. coli.

Harris Wang, Columbia-yliopiston systeemibiologi ja synteettinen biologi, kuvasi saavutusta lähellä vaikeimman mahdollisen version ratkaisua. Asia on helppo ymmärtää. Ribosomi ei ole jokin mitätön solukomponentti. Se on yksi biologian monimutkaisimmista ja välttämättömimmistä proteiinikomplekseista. Poista yhden elämän ydinasteen molekyylikirjaimista siellä, ja koko lauseen pitäisi romahtaa. Tällä kertaa näin ei käynyt.

Seuraamukset ulottuvat kauas yhden laboratorioon kasvatetun bakteerin ulkopuolelle. Evoluutiobiologialle tutkimus antaa uutta painoarvoa ajatukselle, että varhainen elämä saattoi toimia pienemmällä kemiallisella sanastolla ennen kuin nykyinen 20 aminohapon standardi kehittyi. Tutkijat ovat spekuloineet tästä vuosia, mutta todisteet ovat olleet vaikeasti saavutettavissa. Tämä uusi organismi ei todista, että muinainen elämä käytti vähemmän aminohappoja, mutta se osoittaa, että tällainen järjestelmä on biologisesti mahdollinen.

Bioteknologialle löytö avaa toisen oven. Jos ydin solukoneisto voidaan rakentaa uudelleen vähennetyn aminohapposarjan avulla, tutkijat saattavat joskus suunnitella synteettisiä organismeja, jotka on räätälöity kapeisiin, korkean arvon tehtäviin lääketieteessä, biotuotannossa ja ympäristön puhdistuksessa. Siihen liittyy myös turvallisuusnäkökulma. Erikoiskemioihin perustuvat organismit voisivat tulla riippuvaisiksi luonnossa esiintymättömistä olosuhteista tai ravinteista, mikä helpottaa niiden sisältämistä hallituissa olosuhteissa.

Ja sitten on pitkän aikavälin näkymä. Avaruusbiologia on usein kuulostanut tieteiskirjallisuudelta, mutta tämänkaltaiset tutkimukset vihjaavat, mitä tulevaisuuden suunnittelu saattaa vaatia. Jos ihmiskunta joskus tarvitsee mikrobeja suunniteltavaksi karuihin Maan ulkopuolisiin ympäristöihin, joissa kemialliset resurssit ovat rajallisia tai epätavallisia, tekoälyohjattu geneettinen suunnittelu voisi nousta yhdeksi voimakkaimmista työkaluista.

Tähän mennessä otsikko on yksinkertainen ja hieman rauhaton parhaalla mahdollisella tavalla. Sääntö, joka kerran näytti perustavanlaatuiselta, on osoittautunut neuvoteltavaksi. Tekoälyn avustuksella tutkijat ovat osoittaneet, että elämää voidaan karsia vielä enemmän kuin luonnossa toistaiseksi on nähty.