Ученые использовали искусственный интеллект, чтобы переписать часть алфавита жизни

Сконструированный штамм E. coli выжил после того, как из множества его рибосомных белков была сконструирована одна аминокислота — ранняя проверка того, можно ли упростить химию жизни

Автор: Яцек Кривко под редакцией Эрика Салливана

Nранее все известные формы жизни строили белки из одного и того же алфавита из 20 канонических аминокислот. Соединенные в разном порядке, эти строительные блоки образуют белки, которые заставляют клетки работать. В новом научном исследовании исследователи из Колумбийского университета, Массачусетского технологического института и Гарвардского университета использовали управляемый искусственным интеллектом дизайн белка, чтобы проверить, насколько можно сократить этот алфавит: они создали штамм Escherichia coli, который выжил после того, как был переработан таким образом, чтобы в его рибосомных белках не было определенной аминокислоты.

Команда не создавала настоящий организм, состоящий из 19 аминокислот. Модифицированный штамм по-прежнему использует целевую аминокислоту изолейцин на протяжении большей части своего генома. Но результат говорит о том, что один из самых древних и важных механизмов жизни может выдержать хотя бы частичное упрощение — и что искусственный интеллект может помочь биологам проверить пределы химии жизни.

О поддержке научной журналистики

Если вам понравилась эта статья, подумайте о том, чтобы поддержать нашу журналистику, отмеченную наградами, подписавшись на нее. Приобретая подписку, вы помогаете обеспечить будущее впечатляющих историй об открытиях и идеях, формирующих наш современный мир.

«Подумайте о языке. В английском алфавите 26 букв, но действительно ли вам нужно 26, или вы можете упростить это число до 25 или 24?» — говорит Ванг. Команда решила удалить изолейцин, потому что он настолько похож на аминокислоты валин и лейцин, что, в принципе, некоторые белки могут переносить удаление изолейцина при замене его одной из них. Они работали с кишечной палочкой, одним из наиболее изученных организмов в биологии, и нацелились на ее рибосомы — молекулярный механизм, который строит белки и сам по себе представляет собой обширный комплекс из более чем 50 белков. «Как в видеоигре, мы просто нажали кнопку «перейти к финальному боссу», — говорит Ванг.

Первая попытка была сделана методом перебора. Исследователи взяли 39 незаменимых или высоко экспрессируемых генов E. coli и заменили каждый изолейцин на валин или лейцин, как в генетическом тесте «найди и замени». Сконструированные бактерии выжили, но показали себя очень плохо. Их приспособленность снизилась примерно до 40 процентов от уровня кишечной палочки дикого типа. Целью команды было достижение 90 процентов. Чтобы восполнить этот пробел, исследователи обратились к искусственному интеллекту.

Они объединили два вида моделей. Во-первых, модели белкового языка, основанные на последовательностях, такие как ESM2 и MSA Transformer, считывают белковые последовательности и предлагают эволюционно вероятные мутации, которые были бы пропущены при простой замене. Затем модели искусственного интеллекта, основанные на структуре, такие как AlphaFold2 и ProteinMPNN, проверили, что переработанные белки будут складываться в правильные формы и располагаться рядом с соседними молекулами.

Предложения оказались более странными, чем ожидала команда. «Некоторые из этих проектов искусственного интеллекта были действительно неожиданными», — говорит Ван. «Они не были похожи ни на что из того, что мы ожидали увидеть.» В одном случае, при переработке рибосомального белка под названием rpsJ, искусственный интеллект перестроил альфа-спираль — структурный элемент, соединяющий различные части рибосомы, — и ввел восемь новых мутаций, расположенных поблизости. компенсируйте замену всего двумя изолейцинами. «Возможно, эти системы машинного обучения знают какие-то аспекты биологии, которые мы можем проверить экспериментально, но пока не понимаем», — говорит Ван.

«Примечательной частью проекта является развивающийся вклад искусственного интеллекта в эту работу», — говорит Том Эллис, профессор синтетической геномной инженерии в Имперском колледже Лондона, который не был участвовала в исследовании. «За последние семь лет моделирование белков и мутаций в белках с помощью искусственного интеллекта развивалось семимильными шагами.»

Команда сначала протестировала каждое изменение, предложенное ИИ, по одному в то же время подтверждение отдельных правок может привести к достижению цели соответствия требованиям на 90 процентов. В совокупности эти изменения уничтожили клетки. Таким образом, исследователи вручную отладили геном. Начав с естественной последовательности E. coli, они добавляли разработанные искусственным интеллектом фрагменты небольшими партиями, пока клетки не перестали расти, сузив смертельное взаимодействие до одной области, чтобы они могли это исправить.

«Эта статья представляет собой демонстрацию силы синтетической биологии, направленную на решение действительно интересного вопроса, который является фундаментальным для происхождения жизни на Земле», — говорит Эллис. Он добавляет, что эта работа может в конечном итоге помочь в биотехнологии за пределами Земли, в условиях, где доступны не все аминокислоты.

На данный момент Ec19 остается организмом, состоящим из 20 аминокислот. Ван и его коллеги удалили 382 остатка изолейцина из рибосомных белков, но остальная часть его генома по-прежнему содержит более 81 000 остатков изолейцина из тысяч других белков. Чтобы организм действительно состоял из 19 аминокислот, потребуется более дешевый и быстрый синтез ДНК и более эффективные модели искусственного интеллекта, включая модели геномного языка, обученные на целых геномах, а не только на белках.

Тем не менее, доказательство того, что рибосомные белки могут пережить даже частичное упрощение, дает исследователям образец для остальной части E. coli. «Учитывая, что рибосома, вероятно, является древнейшим остатком «демонстрация этой амбициозной работы, посвященной первоначальному общему предку организма, который впервые развил синтез белка, — это также поэтическая вещь», — говорит Эллис.