Den genetiska koden är livets universella språk – ett prydligt system där varje tre DNA-baser stavar ut en av 20 aminosyror, och varje levande varelse på jorden har använt samma 20-bokstavsalfabet i miljarder år. Men ett team från Columbia och Harvard, uppenbarligen uttråkade av konsensus, bestämde sig för att se om de kunde sparka ut en av dessa aminosyror. Specifikt konstruerade de en del av ribosomen som fungerar utan isoleucin, en av de hydrofoba byggstenarna som proteiner älskar att gömma i sina vattenundvikande interiörer.

Varför bry sig? De flesta forskare inom området är upptagna med att lägga till nya aminosyror för att möjliggöra cool kemi, inte subtrahera dem. Men Columbia-Harvard-gänget har en mer existentiell fråga: före livets sista universella gemensamma anfader experimenterade organismer förmodligen med mindre genetiska koder och en blandning av proteiner och katalytiska RNA. Vi har studerat katalytiska RNA mycket, men vi vet lite om vilken kemi som är möjlig med en reducerad aminosyruppsättning. Dessutom, påpekar de, har AI-verktyg blivit tillräckligt bra för att omdesigna proteiner att använda färre aminosyror är nu mer realistiskt än när Taylor Swift fortfarande var en countrysångare.

Isoleucin var den utvalda offeraminosyran eftersom det är en av tre mycket liknande, hydrofoba, kol-och-väte-bara grenade aminosyror (tillsammans med leucin och valin) som vanligtvis gömmer sig inuti proteiner. En analys av E. coli-genomet bekräftade att isoleucin är den aminosyra som oftast byts ut mot en annan i relaterade proteiner över arter. Så forskarna frågade: behöver vi det verkligen alls?

Att redigera alla cirka 4 500 E. coli-gener på en gång skulle vara ett självmordsuppdrag, så de började smått. De tog 36 essentiella gener och ersatte varje isoleucin med valin. För 22 av dessa gener dödade bytet cellerna. Men 17 gener överlevde – inklusive en som hade isoleucin utbytt på 45 olika positioner. De överlevande växte dock långsammare. Det temat skulle återkomma.

Teamet fokuserade på att konstruera en isoleucinfri ribosom – det massiva protein-RNA-komplex som översätter mRNA till proteiner, i princip hårdvaran som startar en levande cell från dess genom. De bytte isoleucin till valin i 50 individuella ribosomproteingener. Arton fungerade bra, 19 växte långsammare och 13 var dödliga. De använde sedan djupinlärningsprogramvara för proteindesign för att föreslå alternativa sekvenser utan isoleucin för de 32 generna med reducerad kondition.

Iterativ testning med fyra olika AI-paket producerade fungerande sekvenser för 25 av dessa 32 proteiner. För de återstående fem tvingade de fram förändringar vid isoleucinpositionerna och lät programvaran omdesigna närliggande aminosyror för att kompensera. Det fungerade för fyra av de fem problemproteinerna.

För att testa om alla dessa omdesignade proteiner faktiskt kunde montera en funktionell ribosom, riktade forskarna in sig på den lilla underenhetens 21 proteiner, vars gener är bekvämt klustrade på en 10 000 baser lång DNA-sträcka. Med start från ena änden ersatte de 10 gener utan problem. Att ersätta 17 av de 21 saktade ner tillväxten. Att ersätta 18 dödade cellerna helt. Arbetande från andra hållet stötte de på samma problematiska gen: rplW. Att lämna rplW orörd medan de ersatte de andra 20 generna producerade celler som växte med cirka 70 procent av normal E. coli-hastighet.

Vid närmare granskning hade AI kompenserat för isoleucinförändringar i rplW genom att ta bort små sträckor av närliggande aminosyror – en fix som fungerade ensam men inte i kombination med alla andra förändringar. Så teamet brute-forceade det: de testade varje kombination av alternativa aminosyror för de fyra isoleucinpositionerna i rplW (16 designer totalt). En design fullbordade den isoleucinfria lilla underenheten, med den resulterande stammen som växte cirka 60 procent så snabbt som oredigerade celler. Efter 400 generationer ackumulerade cellerna 20–30 mutationer, men ingen återställde ett isoleucin i något ribosomprotein.

Anmärkningsvärt nog, om du sätter tillbaka denna omdesignade rplW i genomet på