De genetische code is de universele taal van het leven - een net systeem waarbij elke drie DNA-basen een van de 20 aminozuren coderen, en elk levend wezen op aarde gebruikt al miljarden jaren hetzelfde alfabet van 20 letters. Maar een team van Columbia en Harvard, blijkbaar verveeld met de consensus, besloot te kijken of ze een van die aminozuren konden ontslaan. Specifiek ontwierpen ze een deel van het ribosoom dat werkt zonder isoleucine, een van de hydrofobe bouwstenen die eiwitten graag in hun waterafstotende binnenkant verstoppen.

Waarom de moeite? De meeste onderzoekers in het veld zijn bezig met het toevoegen van nieuwe aminozuren om coole chemie mogelijk te maken, niet met aftrekken. Maar het Columbia-Harvard-team heeft een meer existentiële vraag: vóór de laatste universele gemeenschappelijke voorouder van het leven experimenteerden organismen waarschijnlijk met kleinere genetische codes en een mix van eiwitten en katalytische RNA's. We hebben katalytische RNA's genoeg bestudeerd, maar we weten weinig over welke chemie mogelijk is met een gereduceerde aminozuurset. Bovendien merken ze op dat AI-tools goed genoeg zijn geworden dat het herontwerpen van eiwitten om minder aminozuren te gebruiken nu realistischer is dan toen Taylor Swift nog een countryzangeres was.

Isoleucine was het uitgekozen offerlam omdat het een van de drie sterk gelijkende, hydrofobe, alleen-koolstof-en-waterstof vertakte aminozuren is (naast leucine en valine) die zich typisch in eiwitten verstoppen. Een analyse van het E. coli-genoom bevestigde dat isoleucine het aminozuur is dat het vaakst wordt ingeruild voor een ander in verwante eiwitten tussen soorten. Dus vroegen de onderzoekers zich af: hebben we het eigenlijk wel nodig?

Het tegelijkertijd bewerken van alle 4500 of zo E. coli-genen zou een zelfmoordmissie zijn, dus begonnen ze klein. Ze namen 36 essentiële genen en vervingen elk isoleucine door valine. Voor 22 van die genen doodde de ruil de cellen. Maar 17 genen overleefden - waaronder een waarbij isoleucine op 45 verschillende posities werd vervangen. De overlevenden groeiden echter langzamer. Dat thema zou terugkeren.

Het team richtte zich op het ontwerpen van een isoleucine-vrij ribosoom - het enorme eiwit-RNA-complex dat mRNA vertaalt in eiwitten, in wezen de hardware die een levende cel opstart vanuit zijn genoom. Ze vervingen isoleucine door valine in 50 individuele ribosomale eiwitgenen. Achttien werkten prima, 19 groeiden langzamer en 13 waren dodelijk. Vervolgens gebruikten ze deep-learning-eiwitontwerpsoftware om alternatieve sequenties zonder isoleucine voor te stellen voor de 32 genen met verminderde fitheid.

Iteratief testen met vier verschillende AI-pakketten leverde werkbare sequenties op voor 25 van die 32 eiwitten. Voor de overige vijf dwongen ze veranderingen op de isoleucineposities af en lieten de software nabijgelegen aminozuren herontwerpen om te compenseren. Dat werkte voor vier van de vijf probleemeiwitten.

Om te testen of al deze herontworpen eiwitten daadwerkelijk een functioneel ribosoom konden assembleren, richtten de onderzoekers zich op de 21 eiwitten van de kleine subeenheid, waarvan de genen handig geclusterd zijn op een stuk DNA van 10.000 basen. Beginnend aan het ene uiteinde vervingen ze 10 genen zonder problemen. Het vervangen van 17 van de 21 vertraagde de groei. Het vervangen van 18 doodde de cellen volledig. Werkend vanuit de andere richting stuitten ze op hetzelfde problematische gen: rplW. Het ongemoeid laten van rplW terwijl de andere 20 genen werden vervangen, produceerde cellen die groeiden met ongeveer 70 procent van de snelheid van normale E. coli.

Bij nadere inspectie had de AI gecompenseerd voor isoleucineveranderingen in rplW door kleine stukjes nabijgelegen aminozuren te verwijderen - een oplossing die alleen werkte maar niet in combinatie met alle andere veranderingen. Dus forceerden het team het: ze testten elke combinatie van alternatieve aminozuren voor de vier isoleucineposities in rplW (16 ontwerpen in totaal). Eén ontwerp voltooide de isoleucine-vrije kleine subeenheid, waarbij de resulterende stam ongeveer 60 procent zo snel groeide als onbewerkte cellen. Na 400 generaties accumuleerden de cellen 20-30 mutaties, maar geen herstelde een isoleucine in een ribosomaal eiwit.

Opmerkelijk: als je dit herontworpen rplW terugplaatst in het genoom op