Вчені створили життя за допомогою 19 амінокислот

Генетичний код представляє один із найфундаментальніших механізмів, що лежить в основі всього відомого життя на Землі. З лише незначними варіаціями в різних організмах, кожна жива істота від бактерії до людини покладається на ту саму базову систему: набори з трьох основ ДНК, які відповідають тим самим 20 амінокислотам. Така дивовижна послідовність спостерігалася практично для всіх досліджених організмів, без задокументованих серйозних винятків. Ця майже універсальна одноманітність привела наукову спільноту до теорії про те, що сам генетичний код, ймовірно, походить від останнього універсального спільного предка всього живого, що свідчить про те, що його давнє походження сягає мільярдів років.

Існування цієї стандартизованої системи з 20 амінокислот піднімає захоплюючі питання про те, як спочатку розвивався молекулярний механізм життя. Вчені довго міркували над тим, що було до цього, здавалося б, постійного порядку. Більшість еволюційних гіпотез припускають, що попередні форми примітивного життя діяли за допомогою простіших, часткових генетичних кодів, які використовували менше ніж 20 сучасних амінокислот. Ці теорії припускають поступове розширення генетичного коду з часом, додавання нових амінокислот, оскільки життя ставало складнішим і вимагало більш складних білків. Безпосередня перевірка цих історичних гіпотез становить величезну проблему, оскільки найдавніші організми зникли мільярди років тому.

Щоб перевірити, чи ці еволюційні теорії мають переваги, спільна команда дослідників із Колумбійського та Гарвардського університетів розробила інноваційний експеримент. Їхньою амбітною метою було визначити, чи можуть сучасні організми функціонувати, виключаючи одну з 20 незамінних амінокислот. У якості початкового тестового прикладу вони зосередилися на розробці модифікованої частини рибосоми — клітинного механізму, відповідального за побудову білків, — яка могла б функціонувати без використання ізолейцину, амінокислоти, яка зазвичай вважається абсолютно необхідною для виживання та функціонування клітин.

Цей новаторський підхід представляє новий спосіб перевірити припущення, що лежать в основі сучасної біохімії. Намагаючись скоротити генетичний код з 20 амінокислот до 19, дослідники змогли зібрати емпіричні докази гнучкості та надмірності клітинних систем. У разі успіху такі експерименти можуть висвітлити еволюційний шлях, за яким генетичний код розширився від меншого набору будівельних блоків до складної системи, яку ми спостерігаємо сьогодні. Наслідки виходять далеко за межі чистої наукової цікавості, потенційно пропонуючи розуміння хімічного походження самого життя.

Розуміння історичного розвитку генетичного коду вимагає вивчення того, що могло спричинити такі еволюційні зміни. Хімічне середовище ранньої Землі кардинально відрізнялося від сучасного, з іншими доступними ресурсами та хімічними реакціями. Початкові протоорганізми, ймовірно, мали доступ до обмеженого меню амінокислот, доступних у їхньому середовищі. Оскільки умови на Землі змінювалися, а життя розвивало більш складні стратегії виживання, додавання додаткових амінокислот забезпечило б нові можливості для білкової інженерії та функціонування клітин.

Команда Колумбійсько-Гарвардського університету підходила до перевірки цих теорій методично й науково. Замість того, щоб намагатися видалити ізолейцин з цілого живого організму — завдання, яке майже напевно виявилося б смертельним — вони зосередилися на розробці лише компонента рибосомної РНК. Рибосома служить клітинною фабрикою для побудови білка, зчитуючи генетичні інструкції та збираючи амінокислоти у функціональні білки. Модифікувавши цей критично важливий компонент для роботи без ізолейцину, вони могли перевірити, чи може навіть важливий клітинний механізм адаптуватися до скороченої палітри амінокислот.

Рішення продовжити цей незвичайний напрямок досліджень відображає ширший зсув у дослідженнях молекулярної біології. Традиційно більшість робіт у цій галузі зосереджено на модифікації генетичного коду в експансійних напрямках, тобто інженери прагнули додавати додаткові амінокислоти крім стандартних 20, уможливлюючи абсолютно нові типи хімії в живих клітинах. Цей підхід дав чудові результати, дозволивши дослідникам створювати білки з новими властивостями та функціями, яких не існує в природі. Така робота відкрила двері для нових застосувань біотехнології та глибшого розуміння принципів білкової інженерії.

Однак проект Колумбійсько-Гарвардського університету представляє інший філософський підхід. Замість того, щоб розширювати можливості генетичного коду, дослідники вирішили перевірити його мінімальні вимоги шляхом видалення. Ця редукціоністська стратегія пропонує унікальні переваги для розуміння того, як початково розвивався код. Якби вони змогли продемонструвати, що організми могли функціонувати з 19 амінокислотами замість 20, це забезпечило б пряму експериментальну підтримку гіпотези про те, що раннє життя діяло за допомогою ще простішого коду. Успіх свідчить про те, що розширення від меншої кількості до більшої кількості амінокислот справді можливе та потенційно адаптивне.

Вилучення ізолейцину є лише початком того, що може стати більшою дослідницькою програмою. Ізолейцин був обраний для цього початкового експерименту на основі кількох факторів: його біохімічних властивостей, частоти використання в білках і теоретичної здійсненності технічних замінників. Інші амінокислоти може виявитися або легше, або важче усунути, забезпечуючи карту того, які компоненти генетичного коду є справді важливими, а які мають певний ступінь надмірності чи гнучкості.

Успішне створення рибосоми, яка функціонує без типово незамінної амінокислоти, стане важливою віхою в синтетичній біології та еволюційних дослідженнях. Це продемонструє, що нинішній генетичний код, незважаючи на ефективність, не є єдиною можливою конфігурацією для життя. Це відкриття може змінити погляди вчених на походження життя та еволюцію біохімічних систем. Наслідки можуть поширюватися на розуміння обмежень життя в інших частинах Всесвіту або на розробку нових форм штучного життя з іншою біохімічною основою.

Це дослідження також піднімає інтригуючі питання про природу еволюційних обмежень і випадковостей. Нинішній генетичний код, хоч і здається оптимальним, здебільшого є продуктом історичної випадковості, а не досконалості конструкції. Специфічні призначення кодонів амінокислотам демонструють примхи та надмірності, які свідчать про те, що код розвинувся через залежний від шляху процес, а не за принципами ідеальної оптимізації. Розуміння того, наскільки гнучкими є такі системи, допомагає вченим оцінити як міцність, так і крихкість молекулярного механізму життя.

Заглядаючи вперед, робота команди Колумбійського та Гарвардського університетів відкриває кілька перспективних напрямків дослідження. Успішне скорочення генетичного коду може призвести до дослідження видалення інших амінокислот, потенційно створюючи мінімальний набір амінокислот, абсолютно необхідних для життя. Ця інформація може повернутися до еволюційної біології, допомагаючи дослідникам побудувати кращі моделі того, як могли функціонувати перші генетичні коди. Крім того, розуміння того, як створювати організми з альтернативними генетичними кодами, може мати практичне застосування в біотехнології та генній інженерії, можливо, навіть створюючи біологічні системи, більш стійкі до зараження чи вірусної інфекції.

Ширший контекст цього дослідження в рамках молекулярної біології показує, як вчені продовжують розширювати межі того, що вони вважали можливим за допомогою фундаментального коду життя. Кожен новий експеримент, який успішно змінює генетичний код — додаванням чи відніманням — демонструє, що біохімічні системи життя мають більшу гнучкість і стійкість, ніж передбачалося раніше. Поки дослідники продовжують досліджувати ці межі, вони не лише дізнаються більше про те, як могло зародитися та розвинутися життя, але й розробляють нові інструменти та ідеї, які могли б стимулювати майбутні біотехнологічні інновації та відкриття.