Onderzoekers van Columbia University, het Massachusetts Institute of Technology en Harvard University zijn erin geslaagd een E. coli-stam met slechts 19 aminozuren te creëren door isoleucine uit het ribosoom te verwijderen. Dit is het eerste bekende organisme dat minder dan twintig van de universele aminozuren bezit. De bevindingen zijn gepubliceerd in een onderzoek in het tijdschrift Science en vertegenwoordigen een aanzienlijke vooruitgang in de synthetische biologie en het onderzoek naar de oorsprong van het leven.
De studie suggereert dat het vroege leven mogelijk minder aminozuren heeft gebruikt dan moderne organismen. Eerder theoretiseerden wetenschappers deze mogelijkheid, maar hadden ze deze in de praktijk niet aangetoond. De beslissing om isoleucine te verwijderen was gebaseerd op de chemische gelijkenis met leucine en valine, waardoor het het meest vervangbare aminozuur is.
Onderzoekers hebben het ribosoom, dat eiwitten assembleert, aangepast door de 382 isoleucine-bouwstenen te vervangen, terwijl de functionele integriteit behouden blijft. Deze aanpak is innovatief, omdat eerdere inspanningen op het gebied van genetische modificatie zich uitsluitend hebben gericht op het toevoegen van aminozuren in plaats van het verwijderen ervan.
Het experimentele ontwerp omvatte AI-eiwittaalmodellen om potentiële vervangers voor isoleucine te voorspellen en combinaties snel te analyseren. Van de 50 gecreëerde E. coli-stammen konden er 18 normaal groeien ondanks de afwezigheid van isoleucine. De daaropvolgende fase omvatte het combineren van 21 herschreven ribosomale eiwitten tot één E. coli-stam, die een langzamere groei vertoonde dan ongemodificeerde stammen.
Harris Wang, een systeem- en synthetisch bioloog aan de Columbia University, erkende de complexiteit van het volledig elimineren van een aminozuur uit het ribosoom en beschreef het als ‘bijna het moeilijkste waar je aan kunt denken’.
Het onderzoek geeft aan dat biologische kernsystemen aanzienlijke genetische verstoringen kunnen tolereren, wat theorieën ondersteunt dat eenvoudiger levensvormen kunnen bestaan of hebben bestaan. Bovendien opent het mogelijkheden voor het construeren van synthetische organismen die zijn toegesneden op gespecialiseerde medische en gezondheidszorgtoepassingen.
De bevindingen kunnen leiden tot de ontwikkeling van organismen die afhankelijk zijn van onconventionele chemie, waardoor de biologische insluiting wordt verbeterd. In de toekomst zou AI-ondersteunde genetische modificatie ook het ontwerp kunnen vergemakkelijken van levensvormen die geschikt zijn voor extreme omgevingen, zoals ruimtehabitats, waar mogelijk niet alle aminozuren beschikbaar zijn.
