Der genetische Code ist die universelle Sprache des Lebens – ein ordentliches System, bei dem alle drei DNA-Basen eine von 20 Aminosäuren ergeben, und jedes Lebewesen auf der Erde verwendet seit Milliarden von Jahren dasselbe 20-Buchstaben-Alphabet. Doch ein Team von Columbia und Harvard, offenbar gelangweilt vom Konsens, beschloss zu testen, ob man eine dieser Aminosäuren feuern könnte. Genauer gesagt, konstruierten sie einen Teil des Ribosoms, der ohne Isoleucin funktioniert – einem der hydrophoben Bausteine, die Proteine gerne in ihren wassermeidenden Inneren verstecken.

Warum der Aufwand? Die meisten Forscher auf diesem Gebiet sind damit beschäftigt, neue Aminosäuren hinzuzufügen, um coole Chemie zu ermöglichen, nicht sie zu entfernen. Aber das Columbia-Harvard-Team hat eine existenzielle Frage: Vor dem letzten universellen gemeinsamen Vorfahren des Lebens experimentierten Organismen wahrscheinlich mit kleineren genetischen Codes und einer Mischung aus Proteinen und katalytischen RNAs. Wir haben katalytische RNAs reichlich untersucht, aber wir wissen wenig über die Chemie, die mit einem reduzierten Aminosäurensatz möglich ist. Außerdem, so stellen sie fest, sind KI-Tools inzwischen gut genug, dass die Neugestaltung von Proteinen mit weniger Aminosäuren jetzt realistischer ist als zu der Zeit, als Taylor Swift noch eine Country-Sängerin war.

Isoleucin wurde zur Opfer-Aminosäure auserkoren, weil es eine von drei sehr ähnlichen, hydrophoben, nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehenden verzweigten Aminosäuren ist (neben Leucin und Valin), die sich typischerweise im Inneren von Proteinen verstecken. Eine Analyse des E. coli-Genoms bestätigte, dass Isoleucin die Aminosäure ist, die am häufigsten in verwandten Proteinen zwischen verschiedenen Arten gegen eine andere ausgetauscht wird. Also fragten die Forscher: Brauchen wir sie überhaupt?

Alle rund 4.500 E. coli-Gene auf einmal zu bearbeiten wäre eine Selbstmordmission, also fingen sie klein an. Sie nahmen 36 essentielle Gene und ersetzten jedes Isoleucin durch Valin. Bei 22 dieser Gene tötete der Austausch die Zellen. Aber 17 Gene überlebten – darunter eines, bei dem Isoleucin an 45 verschiedenen Positionen ausgetauscht wurde. Die Überlebenden wuchsen jedoch langsamer. Dieses Thema sollte sich wiederholen.

Das Team konzentrierte sich auf die Konstruktion eines Isoleucin-freien Ribosoms – des massiven Protein-RNA-Komplexes, der mRNA in Proteine übersetzt, im Wesentlichen die Hardware, die eine lebende Zelle aus ihrem Genom bootet. Sie tauschten Isoleucin gegen Valin in 50 einzelnen ribosomalen Proteingenen aus. Achtzehn funktionierten einwandfrei, 19 wuchsen langsamer und 13 waren tödlich. Dann setzten sie Deep-Learning-Proteindesign-Software ein, um alternative Sequenzen ohne Isoleucin für die 32 Gene mit reduzierter Fitness vorzuschlagen.

Iterative Tests mit vier verschiedenen KI-Paketen ergaben funktionsfähige Sequenzen für 25 dieser 32 Proteine. Für die restlichen fünf erzwangen sie Änderungen an den Isoleucin-Positionen und ließen die Software nahe gelegene Aminosäuren neu gestalten, um dies auszugleichen. Das funktionierte für vier der fünf Problemproteine.

Um zu testen, ob all diese neu gestalteten Proteine tatsächlich ein funktionsfähiges Ribosom zusammensetzen könnten, zielten die Forscher auf die 21 Proteine der kleinen Untereinheit, deren Gene praktischerweise auf einem 10.000 Basen langen DNA-Abschnitt geclustert sind. Beginnend an einem Ende ersetzten sie 10 Gene ohne Probleme. Das Ersetzen von 17 der 21 verlangsamte das Wachstum. Das Ersetzen von 18 tötete die Zellen vollständig. Von der anderen Seite arbeitend, stießen sie auf dasselbe problematische Gen: rplW. Das Belassen von rplW unberührt, während die anderen 20 Gene ersetzt wurden, ergab Zellen, die mit etwa 70 Prozent der Rate normaler E. coli wuchsen.

Bei näherer Betrachtung hatte die KI die Isoleucin-Änderungen in rplW ausgeglichen, indem sie kleine Abschnitte nahe gelegener Aminosäuren löschte – eine Lösung, die allein funktionierte, aber nicht in Kombination mit allen anderen Änderungen. Also wandte das Team die Brechstangenmethode an: Sie testeten jede Kombination alternativer Aminosäuren für die vier Isoleucin-Positionen in rplW (insgesamt 16 Designs). Ein Design vervollständigte die Isoleucin-freie kleine Untereinheit, wobei der resultierende Stamm etwa 60 Prozent so schnell wuchs wie unveränderte Zellen. Nach 400 Generationen akkumulierten die Zellen 20–30 Mutationen, aber keine stellte ein Isoleucin in einem ribosomalen Protein wieder her.

Bemerkenswerterweise, wenn man dieses neu gestaltete rplW zurück ins Genom setzt, auf