: 07.05.2026
Минус одна: аминокислотный «алфавит» жизни успешно сокращен
У всех живых организмов, от бактерий до китов и людей, белки построены из 20 аминокислот. С точки зрения химии, многие из аминокислот имеют схожие структуры и свойства, что поднимает вопрос: могла бы жизнь обойтись без одной из них? И вот недавно ответ получен: ученым удалось создать бактерию, которой для жизни хватает всего 19 аминокислот
Аминокислоты – это органические молекулы, состоящие преимущественно из углерода, водорода, кислорода и азота, которые служат строительным материалом для создания белков. Соединяясь друг с другом в определенном порядке, они формируют сложную трехмерную белковую структуру.
В природе встречается более 500 различных аминокислот, однако в живых клетках стандартно используется 20 таких белковых «блоков», называемых каноническими. Некоторые бактерии расширяют этот набор, используя дополнительные аминокислоты (селеноцистеин, пирролизин). Однако неизвестно свободноживущих организмов, в геноме которых было бы закодировано менее 20 аминокислот.
При этом многие канонические аминокислоты обладают схожими биохимическими свойствами, так что их наличие в принципе не является необходимым. Так, ученые предполагают, что ранние формы жизни использовали меньший набор аминокислот. Это могло происходить во времена, когда еще не существовало одноклеточных организмов, которые считаются нашими последними всеобщими предками. Это гипотетическое одноклеточное (Last Universal Common Ancestor, LUCA), жившее на Земле 4 млрд лет назад, имело гены, общие для прокариот (безъядерных организмов, бактерий и архей) и эукариот (с оформленным клеточным ядром, грибы), к которым принадлежит и человек.
Моделирование подтвердило предположение об «избыточности» современного аминокислотного набора, показав, что для построения почти любой известной белковой структуры может быть достаточно всего 9–12 аминокислот. Кроме того, так как синтез белка в клетке может иногда проходить некорректно, около 8% белков содержат хотя бы одну неправильную аминокислоту. Тем не менее, большинство из них нормально работает.
Также показано, что одной из наименее консервативных аминокислот является изолейцин. Мутации, ведущие к замене изолейцина на другую аминокислоту – валин, часто сохраняются в ходе отбора из-за схожих биохимических свойств этих аминокислот.
Ученые из Колумбийского и Гарвардского университетов (США) решили с помощью модификации генома полностью исключить изолейцин у популярного лабораторного объекта – бактерии кишечной палочки (Escherichia coli). Однако первоначальная попытка прямой замены всех остатков изолейцина на похожие аминокислоты (валин или лейцин) в 39 жизненно важных белках закончилась неудачей: только 43% модифицированных вариантов сохранили свою функциональность в бактерии.
Затем исследователи использовали искусственный интеллект и модели глубокого обучения, способные предсказывать пространственную структуру белков. Таким образом им удалось рассчитать оптимальные замены изолейцина, учитывая химическое окружение каждого остатка. Так были «перепроектированы» 52 критически важных белка, включая компоненты самих рибосом – внутриклеточных органелл, на которых идет синтез белка. Теперь рибосомы могли обеспечить корректное формирование трехмерной структуры белков в отсутствие изолейцина.
Результатом работы ученых стал новый генетически модифицированный штамм кишечной палочки, названный Ec19, который полноценно функционирует, используя всего 19 аминокислот вместо обычных 20.
Геном Ec19 оставался стабильным на протяжении более 450 поколений. Он рос почти с такой же скоростью, что и обычная E. coli, при этом жизнеспособность клеток составляла более 90% по сравнению с диким типом. Полногеномное секвенирование нового штамма не выявило реверсивных мутаций изолейцина. Другими словами, бактерия не пыталась восстановить синтез изолейцина, вернувшись к 20-аминокислотной системе.
По мнению авторов, дальнейшее совершенствование технологий моделирования генома и синтеза ДНК позволит создавать клетки с принципиально новыми свойствами, расширяя границы синтетической биологии. Что касается штамма Ec19, то его создание не только проливает свет на биохимические ограничения, формировавшие раннюю эволюцию, но и открывает путь к проектированию организмов с упрощенным генетическим кодом. В будущем такие генетически «перекодированные» клетки могут стать фундаментом для полностью искусственных форм жизни.
Фото: https://openclipart.org
Публикации по теме:
Рибосома – минифабрика по производству белково
Протеомика – высокотехнологичная «рыбалка»
: 07.05.2026 
