Белки кишечной палочки остаются рабочими, будучи полностью лишены аминокислоты изолейцина.

Сразу уточним – аминокислоту отобрали не у всех бактериальных белков, а только у тех, что входят в состав рибосомы. Рибосома – это крупная молекулярная машина, которая занимается синтезом белка в клетке; говоря иначе, она переводит генетический код в последовательность аминокислот. У неё есть две субъединицы, большая и малая, и каждая образована специальными рибосомными РНК, на которых сидят рибосомные белки. На фоне более чем четырёх тысяч белков бактерии кишечной палочки, число рибосомных кажется совсем небольшим – их чуть больше полусотни. Однако они участвуют в чрезвычайно важном процессе. Мутация  любого из них с большой вероятностью скажется на функционировании рибосомы в целом, а это скажется на синтезе всех белков.

Колоризованная микрофотография бактерий кишечной палочки. (Фото: NIH Image Gallery / Flickr.com) 

Авторы недавней статьи в Science покусились не на один рибосомный белок, а на все сразу. Как известно, белки состоят из двадцати аминокислот, последовательность которых определяет пространственную структуру и функции конкретного белка. Исследователи замыслили полностью лишить все рибосомные белки одной из аминокислот. Выбор пал на изолейцин. В молекулах 52 белков, которые входят в состав рибосомы и которые необходимы для её нормальной работы, изолейцин встречается 382 раза. На самом деле, задача была не в том, чтобы просто вырезать его отовсюду – в таком случае заранее понятно, что ничего хорошего не выйдет. Задача была в другом: сделать так, чтобы безизолейциновые рибосомы сохранили функциональность. Изолейцин нужно было не просто удалить из белков – нужно было одновременно внести в них другие аминокислоты, которые смогли бы поддержать структуру белка. Эта задача сравнительно проста, если речь идёт об одной-единственной аминокислотной позиции в каком-то одном белке. Но тот же изолейцин в отдельно взятом белке может быть сразу в нескольких позициях. (Что, собственно, видно из соотношения 52 белков и 382 изолейцинов.)

Сначала белки с заменами нужно было смоделировать, и тут исследователи воспользовались набором алгоритмов искусственного интеллекта, подобных программе AlphaFold. Эти алгоритмы предсказывают пространственную структуру и функции белка на основе его аминокислотной последовательности и эволюционной истории. Смоделированные белки проверяли на бактериях: в геном кишечной палочки вставляли отредактированные гены рибосомных белков, которые не кодировали ни одного изолейцина, а вместо этого кодировали те или иные добавленные аминокислоты, которые должны были компенсировать отсутствие изолейцина. 

В большинстве белков замены прошли легко – ИИ правильно предсказывал, что новая редакция белка будет функциональной и не отразится на самочувствии клетки. Но были и другие случаи, когда бактерии явно не нравился изменённый белок, и тогда начиналась кропотливая экспериментальная работа по подгону ИИ-модели к живой клетке. Как говорят исследователи, без ИИ-инструментов такую работу вряд ли бы удалось сделать, однако у этих инструментов всё же есть ограничения – полностью «решить» биологию клетки они (пока) не могут.

Но пусть отдельные безизолейциновые белки никак не влияют на самочувствие клетки – что будет, если таких белков будет сразу несколько? Что будет, если целая рибосома будет состоять только из таких белков? Полностью рибосому в бактериальной клетке исследователи не меняли, но зато поменяли малую субъединицу. В геноме кишечной палочки заменили двадцать один ген, кодирующий белки малой субъединицы, так что все они оказались лишены изолейцина. Такие бактерии росли слегка медленнее, чем немодифицированные бактерии, и на протяжении более 450 поколений с ними не случилось ничего страшного.

Двадцать протеиногенных, то есть образующих белки, аминокислот – это универсальная черта всех живых организмов. (В последнее время к протеиногенным аминокислотам нередко добавляют ещё две, селеноцистеин и пирролизин, так что их число может увеличиться до 22.) Трудно представить, что аминокислотный словарь может выглядеть как-то иначе. Тем не менее, это вполне реально – по крайней мере, для отдельных групп белков. В перспективе, конечно, было бы интересно проверить, как будут себя чувствовать клетки, у которых всю рибосому лишат одной аминокислоты, а не только одну из субъединиц. И ещё более интересно было бы посмотреть на клетку, у которой не только рибосомные, но вообще все белки окажутся с урезанным аминокислотным словарём.

Кстати, есть похожие исследования, касающиеся другого словаря – кодонового. Кодонами, или триплетами, называют тройные комбинации четырёх генетических букв (азотистых оснований, обозначаемых в ДНК буквами A, T, G, C), с помощью которых аминокислоты кодируются в геноме. Этих тройных комбинаций из четырёх оснований получается 64 – ощутимо больше, чем аминокислот. Давно известно, что одна и та же аминокислота может кодироваться разными кодонами. В какой-то момент возникла идея проверить, что будет, если клетку лишить какого-нибудь из избыточных кодонов. Как и в случае с полной заменой аминокислоты, «лишить» здесь не значит «вырезать». Например, глутаминовую аминокислоту кодируют тройки GAA и GAG. Если мы хотим получить геном, в котором нет GAG, то во всех кодонах GAG нужно заменить последний G на А, чтобы этому месту в геноме всё равно соответствовала та же глутаминовая аминокислота. 

Такие исследования есть – например, в прошлом году в Science появилась статья с описанием кишечной палочки, у которой в кодоновом словаре из 64 триплетов оставили 57. Такие бактерии росли в 4 раза медленнее, чем немодифицированные, кроме того, у них менялась активность генов. Но в принципе стало понятно, что бактериальная клетка такое сокращение словаря выдерживает. Про такие эксперименты говорят, что они двигают вперёд биотехнологии: например, триплетам нуклеотидов, которые освободили от прежних аминокислотных значений, присваивают новые значения, чтобы они кодировали другие, специальные аминокислоты, в белках обычно не встречающиеся. Однако подобные исследования говорят и о чём-то большем – они показывают, насколько может быть пластична жизнь в своих самых фундаментальных основаниях.