Aproape toate formele de viață cunoscute folosesc același set de 20 de aminoacizi pentru a construi proteine. Un studiu publicat în Science arată că, folosind modele de inteligență artificială, cercetătorii au reușit să reproiecteze o parte esențială a bacteriei E. coli, astfel încât ribozomul ei să funcționeze fără unul dintre acești aminoacizi. Nu este încă o „formă de viață cu 19 aminoacizi”, dar este un pas important spre înțelegerea flexibilității chimiei vieții.

Viața are un fel de alfabet chimic. Nu este alfabetul ADN-ului, format din cele patru „litere” A, T, C și G, ci alfabetul proteinelor: cele 20 de aminoacizi canonici pe care celulele îi folosesc pentru a construi proteine.

Proteinele sunt moleculele de lucru ale celulei. Ele dau structură, accelerează reacții chimice, transportă substanțe, transmit semnale și fac posibilă aproape orice activitate biologică. Fiecare proteină este un lanț de aminoacizi, iar ordinea lor este dictată de informația genetică.

De aici vine întrebarea care i-a fascinat pe biologi: de ce tocmai 20? Este acest număr o necesitate a vieții sau rezultatul unei istorii evolutive înghețate în timp?

Un nou studiu publicat în Science încearcă să atingă experimental această întrebare: ar putea o celulă modernă să fie împinsă, măcar parțial, spre un alfabet mai mic al proteinelor?

Ce au făcut cercetătorii

Echipa a lucrat cu Escherichia coli, una dintre cele mai studiate bacterii din biologie. Ținta nu a fost aleasă întâmplător: cercetătorii s-au concentrat asupra ribozomului, mașinăria celulară care produce proteine.

Ribozomul este esențial pentru viață. Dacă el nu funcționează, celula nu poate produce proteinele de care are nevoie. De aceea, reproiectarea ribozomului este un test foarte dur: nu modifici o componentă periferică, ci una dintre cele mai vechi și mai importante structuri ale celulei.

Cercetătorii au încercat să elimine din proteinele ribozomale un aminoacid numit izoleucină. Alegerea are logică biochimică: izoleucina seamănă cu alți aminoacizi, precum valina și leucina, ceea ce sugerează că, în anumite contexte, ar putea fi înlocuită fără ca proteina să se prăbușească funcțional.

De ce nu ajunge o simplă înlocuire

La prima vedere, experimentul poate părea simplu: cauți toate aparițiile izoleucinei și le înlocuiești cu un aminoacid asemănător. Dar proteinele nu sunt texte în care poți face „find and replace” fără consecințe.

O proteină trebuie să se plieze într-o formă tridimensională precisă. Un aminoacid schimbat într-un loc nepotrivit poate modifica stabilitatea moleculei, interacțiunile cu alte proteine sau funcția întregului complex celular.

Potrivit relatării din Scientific American, prima abordare mai brută a permis bacteriilor să supraviețuiască, dar cu o scădere mare de performanță: fitnessul lor a coborât la aproximativ 40% din cel al bacteriilor normale, în timp ce ținta cercetătorilor era de peste 90%.

Aici a intrat în scenă inteligența artificială.

Cum a ajutat IA

Cercetătorii au folosit modele de inteligență artificială capabile să analizeze secvențe de proteine și să prezică structuri. Modelele de tip „protein language model” pot sugera variante de aminoacizi plauzibile evolutiv, iar instrumente precum AlphaFold2 și ProteinMPNN pot evalua dacă proteina rezultată are șanse să se plieze corect și să rămână funcțională.

Cu alte cuvinte, IA nu a „inventat viață” din nimic. A funcționat mai degrabă ca un instrument de proiectare biologică: a propus soluții pentru a menține forma și funcția proteinelor după eliminarea izoleucinei din anumite poziții.

Unele soluții au fost surprinzătoare chiar și pentru cercetători. În loc să înlocuiască pur și simplu un aminoacid cu altul, modelele au propus combinații de modificări care compensau efectul schimbării inițiale. Asta sugerează că IA poate găsi trasee de proiectare moleculară pe care intuiția umană nu le-ar alege imediat.

Ce este, de fapt, Ec19

Rezultatul final a fost o tulpină de E. coli numită Ec19. Aceasta conține proteine ribozomale reproiectate, fără izoleucină în anumite componente ale ribozomului. Potrivit Phys.org, cercetătorii au eliminat 382 de reziduuri de izoleucină din proteinele ribozomale și au combinat 21 de componente reproiectate într-o singură tulpină. Bacteria a rămas stabilă genomic și a crescut aproape la fel de bine ca tulpinile normale timp de peste 450 de generații în laborator.

Aceasta este partea spectaculoasă: una dintre cele mai importante mașinării ale celulei a putut fi simplificată parțial, fără ca organismul să colapseze.

Dar este importantă și nuanța: Ec19 nu este încă o bacterie care trăiește complet cu doar 19 aminoacizi. După cum notează Scientific American, restul genomului bacteriei conține încă zeci de mii de poziții în care apare izoleucina. Cu alte cuvinte, experimentul nu a scos izoleucina din întreaga celulă, ci dintr-o parte esențială a mașinăriei sale proteice.

De ce contează descoperirea

Studiul contează din cel puțin trei motive.

Primul este legat de originea vieții. Mulți cercetători bănuiesc că formele timpurii de viață ar fi putut folosi un set mai mic de aminoacizi decât cel actual. Dacă o celulă modernă poate tolera, măcar parțial, reducerea alfabetului proteic, atunci ideea unei vieți timpurii mai simple devine mai ușor de testat experimental.

Al doilea motiv ține de biologia sintetică. Dacă putem reproiecta celule care folosesc un alfabet chimic modificat, am putea obține organisme cu proprietăți noi, mai bine controlate sau mai sigure în anumite aplicații industriale și medicale. De pildă, celulele dependente de un alfabet artificial sau redus ar putea fi mai ușor de izolat de organismele naturale.

Al treilea motiv privește rolul IA în biologie. Acest studiu arată că inteligența artificială nu este utilă doar pentru a analiza date biologice, ci și pentru a proiecta variante de molecule și sisteme vii care pot fi apoi testate în laborator.

Nu putem spune că cercetătorii au creat „viață artificială”. Au modificat o bacterie existentă, E. coli, folosind inginerie genetică și proiectare proteică asistată de IA.

De semenea, nu se poate spune nici că au creat deja un organism complet cu 19 aminoacizi. Studiul este un pas „spre” această direcție, nu destinația finală.

După cum nu este vorba nici despre eliminarea unui aminoacid din natură, ci despre testarea unei întrebări fundamentale: cât de flexibil este alfabetul molecular pe care viața îl folosește pentru a construi proteine?

O întrebare veche, pusă cu instrumente noi

În biologie, unele întrebări sunt atât de fundamentale încât par aproape filosofice. De ce are viața forma pe care o are? De ce folosește aceste molecule și nu altele? De ce 20 de aminoacizi, nu 19, 12 sau 30?

Mult timp, asemenea întrebări puteau fi abordate mai ales teoretic. Acum, combinația dintre sinteza ADN-ului, ingineria genetică și inteligența artificială permite cercetătorilor să le testeze în celule vii.

Asta face studiul din Science atât de interesant: nu oferă doar o demonstrație tehnică, ci deschide o cale experimentală către înțelegerea limitelor vieții.

Concluzie

Viața de pe Pământ pare să fi standardizat un alfabet de 20 de aminoacizi pentru construcția proteinelor. Dar noul studiu arată că acest alfabet nu este neapărat o lege rigidă. Cel puțin o parte din mașinăria esențială a unei bacterii poate fi reproiectată pentru a funcționa fără unul dintre aminoacizii canonici.

Nu avem încă o formă de viață completă cu 19 aminoacizi. Avem însă o dovadă că alfabetul vieții poate fi, într-o anumită măsură, rescris. Iar inteligența artificială devine unul dintre instrumentele cu care cercetătorii încep să testeze cât de departe poate merge această rescriere.