Βακτήριο που σχεδιάστηκε με ΑΙ παραβιάζει βασικό κανόνα της ζωής

Όλες οι μορφές ζωής που γνωρίζουμε στη Γη χρησιμοποιούν ένα «αλφάβητο» από 20 αμινοξέα, τα οποία ενώνονται σε διαφορετικούς συνδυασμούς για να δημιουργήσουν μια τεράστια ποικιλία πρωτεϊνών. Ορισμένα βακτήρια χρησιμοποιούν έως και 22 τέτοιους δομικούς λίθους, όμως κανένας οργανισμός δεν χρησιμοποιεί λιγότερους.

Πλέον υπάρχει μια εξαίρεση: χρησιμοποιώντας νέα εργαλεία τεχνητής νοημοσύνης, αμερικανοί ερευνητές κατάφεραν να καταργήσουν ένα αμινοξύ σε έναν ζωτικό μοριακό μηχανισμό του βακτηρίου Escherichia coli, περιορίζοντας το χημικό αλφάβητο στα 19 «γράμματα».

Αν και οι ερευνητές δεν κατάφεραν να καταργήσουν το συγκεκριμένο αμινοξύ –την ισολευκίνη- από όλες τις πρωτεΐνες του βακτηρίου, ο τεχνικός άθλος ίσως προσφέρει μια εικόνα για το πώς μπορεί να έμοιαζαν οι πρώτες μορφές ζωής, οι οποίες ίσως βασίζονταν σε ένα πιο περιορισμένο αλφάβητο.

Η μελέτη, η οποία δημοσιεύεται στο κορυφαίο περιοδικό Science, ανοίγει επίσης το δρόμο για τη δημιουργία συνθετικών μορφών ζωής με λειτουργίες που δεν απαντούν στη φύση.

Ερευνητές είχαν καταφέρει στο παρελθόν να αλλάζουν τον γενετικό κώδικα βακτηρίων και άλλων οργανισμών –τον κώδικα με τον οποίο οι πληροφορίες του DNA μεταφράζονται σε αλληλουχίες αμινοξέων- και να προσθέσουν επιπλέον αμινοξέα που δεν υπάρχουν στη φύση. Τέτοια «μη κανονικά» αμινοξέα χρησιμοποιούνται ήδη σε κάποια φάρμακα –όπως η σεμαγλουτίδη κατά της παχυσαρκίας- όπου λειτουργούν για παράδειγμα ως σταθεροποιητικοί παράγοντες.

Η νέα μελέτη ακολουθεί την αντίθετη κατεύθυνση. Ο Χάρι Ουάνγκ του Πανεπιστημίου Κολούμπια στη Νέα Υόρκη ήταν περίεργος να εξετάσει αν η ζωή μπορεί να λειτουργήσει με λιγότερα δομικά στοιχεία.

Οι ερευνητές αφαίρεσαν ένα αμινοξύ από το ριβόσωμα, το κυτταρικό εργοστάσιο που παράγει πρωτεΐνες (www.MedicalGraphics.de /CC BY-ND 4.0)

Ο Ουάνγκ και οι συνεργάτες του στο Χάρβαρντ και το MIT χρησιμοποίησαν εργαλεία τεχνητής νοημοσύνης όπως το Alphafold, τα οποία μπορούν να προβλέπουν την τρισδιάστατη δομή πρωτεϊνών με βάση την αλληλουχία των αμινοξέων, ή το αντίστροφο. Τα εργαλεία αυτά μπορούν επίσης να προτείνουν τρόπους αντικατάστασης ενός αμινοξέος με ένα άλλο χωρίς να επηρεαστεί η δομή, και επομένως η λειτουργία, της πρωτεΐνης.

Δεδομένου όμως ότι θα ήταν δύσκολο, ή και αδύνατο, να αφαιρέσουν την ισολευκίνη από τις περίπου 4.000 διαφορετικές πρωτεΐνες του βακτηρίου, οι ερευνητές εστιάστηκαν σε ένα πιο εύκολο στόχο, το ριβόσωμα –ένα περίπλοκο σύμπλοκο πρωτεϊνών και μορίων RNA που παράγει πρωτεΐνες με βάση τις οδηγίες του DNA.

Η ερευνητική ομάδα κατάφερε τελικά μα αντικαταστήσει και τα 382 μόρια ισολευκίνης από τις πρωτεΐνες του βακτηριακού ριβοσώματος. Στη συνέχεια δημιούργησαν ένα βακτήριο που ενσωμάτωνε ένα μέρος από αυτές τις αλλαγές, το οποίο ζούσε και αναπτυσσόταν στο εργαστήριο, αν και αναπαραγόταν πιο αργά από το κανονικό.

H μελέτη είναι «πολύ εντυπωσιακή» και «βαθαίνει τις γνώσεις μας για τους σχεδιαστικούς κανόνες της ζωής» σχολίασε στον δικτυακό τόπο του Science ο Κρίστοφερ Σνόου του Πολιτειακού Πανεπιστημίου του Κολοράντο, ο οποίος δεν συμμετείχε στην προσπάθεια.

«Το να περιορίσεις το αλφάβητο της ζωής σε 19 αμινοξέα είναι ένα μνημειώδες εγχείρημα» είπε.

Ο Ουάνγκ είπε στο περιοδικό ότι η ομάδα του σκοπεύει να επεκτείνει την προσπάθεια σε όλες τις πρωτεΐνες του E.coli, και ελπίζει μάλιστα να δημιουργήσει ένα βακτήριο με 19 αμινοξέα.

Μια ενδιαφέρουσα διαπίστωση είναι ότι το βακτήριο της μελέτης παρέμεινε γενετικά σταθερό για πάνω από 450 γενιές χωρίς να ξαναρχίσει αυθόρμητα να χρησιμοποιεί ισολευκίνη. Το εύρημα αυτό δείχνει να προσφέρει στήριξη στην υπόθεση ότι οι πρώτες μορφές ζωής βασίζονταν σε ένα πιο περιορισμένο χημικό λεξιλόγιο.