आनुवंशिक कोड जीवन की सार्वभौमिक भाषा है - एक साफ-सुथरी प्रणाली जहां हर तीन डीएनए बेस 20 अमीनो एसिड में से एक को वर्तनी देते हैं, और पृथ्वी पर हर जीवित चीज अरबों वर्षों से इसी 20-अक्षर वर्णमाला का उपयोग कर रही है। लेकिन कोलंबिया और हार्वर्ड की एक टीम, जाहिर तौर पर आम सहमति से ऊब गई, ने देखने का फैसला किया कि क्या वे उन अमीनो एसिड में से एक को निकाल सकते हैं। विशेष रूप से, उन्होंने राइबोसोम के एक हिस्से को इंजीनियर किया जो आइसोल्यूसीन के बिना काम करता है, जो हाइड्रोफोबिक बिल्डिंग ब्लॉक्स में से एक है जिसे प्रोटीन अपने पानी से बचने वाले इंटीरियर में छिपाना पसंद करते हैं।

क्यों परेशान? इस क्षेत्र के अधिकांश शोधकर्ता शांत रसायन विज्ञान को सक्षम करने के लिए नए अमीनो एसिड जोड़ने में व्यस्त हैं, न कि उन्हें घटाने में। लेकिन कोलंबिया-हार्वर्ड टीम के पास एक और अस्तित्वगत प्रश्न है: जीवन के अंतिम सार्वभौमिक सामान्य पूर्वज से पहले, जीवों ने संभवतः छोटे आनुवंशिक कोड और प्रोटीन और उत्प्रेरक आरएनए के मिश्रण के साथ प्रयोग किया था। हमने उत्प्रेरक आरएनए का खूब अध्ययन किया है, लेकिन हम इस बारे में बहुत कम जानते हैं कि कम अमीनो एसिड सेट के साथ कौन सी रसायन संभव है। साथ ही, वे नोट करते हैं, एआई उपकरण इतने अच्छे हो गए हैं कि कम अमीनो एसिड का उपयोग करने के लिए प्रोटीन को फिर से डिजाइन करना अब उस समय की तुलना में अधिक यथार्थवादी है जब टेलर स्विफ्ट अभी भी एक देशी गायिका थी।

आइसोल्यूसीन को बलि का बकरा अमीनो एसिड चुना गया क्योंकि यह तीन अत्यधिक समान, हाइड्रोफोबिक, कार्बन-और-हाइड्रोजन-केवल शाखित अमीनो एसिड (ल्यूसीन और वेलिन के साथ) में से एक है जो आमतौर पर प्रोटीन के अंदर छिपते हैं। ई. कोलाई जीनोम के विश्लेषण ने पुष्टि की कि आइसोल्यूसीन वह अमीनो एसिड है जिसे प्रजातियों में संबंधित प्रोटीन में सबसे अधिक बार दूसरे के लिए बदला जाता है। तो शोधकर्ताओं ने पूछा: क्या हमें वास्तव में इसकी बिल्कुल आवश्यकता है?

एक साथ सभी 4,500 या तो ई. कोलाई जीन को संपादित करना एक आत्मघाती मिशन होगा, इसलिए उन्होंने छोटी शुरुआत की। उन्होंने 36 आवश्यक जीन लिए और हर आइसोल्यूसीन को वेलिन से बदल दिया। उन 22 जीनों के लिए, स्वैप ने कोशिकाओं को मार डाला। लेकिन 17 जीन बच गए - जिसमें एक ऐसा भी शामिल था जिसमें 45 विभिन्न स्थानों पर आइसोल्यूसीन को बदला गया था। बचे हुए धीमी गति से बढ़े, हालांकि। वह विषय दोहराया जाएगा।

टीम ने आइसोल्यूसीन-मुक्त राइबोसोम को इंजीनियर करने पर ध्यान केंद्रित किया - विशाल प्रोटीन-आरएनए कॉम्प्लेक्स जो एमआरएनए का प्रोटीन में अनुवाद करता है, अनिवार्य रूप से हार्डवेयर जो एक जीवित कोशिका को उसके जीनोम से बूट करता है। उन्होंने 50 व्यक्तिगत राइबोसोमल प्रोटीन जीन में आइसोल्यूसीन को वेलिन से बदल दिया। अठारह ने ठीक काम किया, 19 धीमी गति से बढ़े, और 13 घातक थे। फिर उन्होंने कम फिटनेस वाले 32 जीनों के लिए आइसोल्यूसीन के बिना वैकल्पिक अनुक्रम सुझाने के लिए डीप-लर्निंग प्रोटीन-डिज़ाइन सॉफ़्टवेयर तैनात किया।

चार अलग-अलग एआई पैकेजों के साथ पुनरावृत्त परीक्षण ने उन 32 प्रोटीनों में से 25 के लिए काम करने योग्य अनुक्रम तैयार किए। शेष पांच के लिए, उन्होंने आइसोल्यूसीन पदों पर परिवर्तनों को मजबूर किया और सॉफ्टवेयर को क्षतिपूर्ति के लिए पास के अमीनो एसिड को फिर से डिजाइन करने दिया। यह पांच समस्या प्रोटीनों में से चार के लिए काम कर गया।

यह परीक्षण करने के लिए कि क्या ये सभी पुन: डिज़ाइन किए गए प्रोटीन वास्तव में एक कार्यात्मक राइबोसोम को इकट्ठा कर सकते हैं, शोधकर्ताओं ने छोटी सबयूनिट के 21 प्रोटीनों को लक्षित किया, जिनके जीन सुविधाजनक रूप से डीएनए के 10,000-बेस खिंचाव पर क्लस्टर किए गए हैं। एक छोर से शुरू करते हुए, उन्होंने बिना किसी परेशानी के 10 जीनों को बदल दिया। 21 में से 17 को बदलने से विकास धीमा हो गया। 18 को बदलने से कोशिकाएं पूरी तरह से मर गईं। दूसरी दिशा से काम करते हुए, वे उसी समस्याग्रस्त जीन से टकराए: rplW। rplW को अछूता छोड़ते हुए अन्य 20 जीनों को बदलने से कोशिकाएं पैदा हुईं जो सामान्य ई. कोलाई की लगभग 70 प्रतिशत दर से बढ़ीं।

करीब से देखने पर, एआई ने rplW में आइसोल्यूसीन परिवर्तनों की भरपाई पास के अमीनो एसिड के छोटे स्ट्रेच को हटाकर की थी - एक फिक्स जो अकेले काम करता था लेकिन अन्य सभी परिवर्तनों के संयोजन में नहीं। इसलिए टीम ने बलपूर्वक हल किया: उन्होंने rplW में चार आइसोल्यूसीन पदों के लिए वैकल्पिक अमीनो एसिड के हर संयोजन का परीक्षण किया (कुल 16 डिज़ाइन)। एक डिज़ाइन ने आइसोल्यूसीन-मुक्त छोटी सबयूनिट को पूरा किया, जिसके परिणामस्वरूप स्ट्रेन असंपादित कोशिकाओं की तुलना में लगभग 60 प्रतिशत तेजी से बढ़ा। 400 पीढ़ियों के बाद, कोशिकाओं में 20-30 उत्परिवर्तन जमा हुए, लेकिन किसी ने भी किसी राइबोसोमल प्रोटीन में आइसोल्यूसीन को बहाल नहीं किया।

उल्लेखनीय रूप से, यदि आप इस पुन: डिज़ाइन किए गए rplW को वापस जीनोम में डालते हैं