Nội dung bài viết
Bằng cách sử dụng các công cụ AI, nhóm nghiên cứu đã xử lý lại một phần ribosome để cần ít axit amin hơn. Mã di truyền là trung tâm của sự sống.
Với những biến thể nhỏ, mọi thứ đều sử dụng cùng một bộ ba bazơ DNA để mã hóa 20 axit amin giống nhau. Chúng tôi không phát hiện ra ngoại lệ lớn nào cho vấn đề này, khiến các nhà nghiên cứu kết luận rằng mật mã này có thể có từ tổ tiên chung cuối cùng của mọi sự sống trên Trái đất.
Nhưng đã có rất nhiều suy đoán có căn cứ về việc mã di truyền đó ban đầu phát triển như thế nào. Hầu hết các giả thuyết cho rằng các dạng sống trước đây có mã di truyền một phần và sử dụng ít hơn 20 axit amin.
Để kiểm tra những giả thuyết này, một nhóm từ Columbia và Harvard đã quyết định xem liệu họ có thể loại bỏ một trong số 20 cái hiện đang được sử dụng hay không. Và, trong nỗ lực đầu tiên, họ đã thiết kế một phần ribosome hoạt động mà không cần sử dụng một loại axit amin thiết yếu khác: isoleucine.
Trước hết, tại sao bạn lại làm điều này? Hầu hết công việc trong lĩnh vực này đều tập trung vào việc thay đổi mã di truyền theo những cách hữu ích, chẳng hạn như sử dụng hơn 20 axit amin để tạo ra phản ứng hóa học thú vị.
Lý do ở đây dường như là, trước tổ tiên chung cuối cùng của sự sống trên Trái đất, các sinh vật đã thử nghiệm nhiều kiểu gen khác nhau. c và có lẽ đã sử dụng hỗn hợp protein và RNA xúc tác để thực hiện quá trình trao đổi chất của chúng.
Mặc dù chúng tôi đã thực hiện rất nhiều nghiên cứu về RNA xúc tác, nhưng chúng tôi vẫn chưa biết nhiều về loại hóa học nào có thể thực hiện được với mã di truyền rút gọn.
Và các nhà nghiên cứu cho rằng các công cụ dựa trên AI đã đủ trưởng thành để việc thiết kế lại protein để sử dụng ít axit amin hơn trở nên thực tế hơn nhiều so với chỉ vài năm trước. Isoleucine là một trong ba axit amin rất giống nhau, cùng với leucine và valine.
Trong phần cấu trúc khác biệt với các axit amin khác, cả ba đều có cấu trúc phân nhánh được cấu tạo hoàn toàn từ carbon và hydro. Điều đó làm cho tất cả chúng đều kỵ nước và chúng thường nằm ở bên trong protein, giúp chúng tránh xa môi trường nước của tế bào.
Vì vậy, hoàn toàn bằng cách suy luận, một trong ba người đó dường như là một ứng cử viên sáng giá để loại bỏ. Các nhà nghiên cứu liên quan ủng hộ lý luận đó bằng bằng chứng.
Họ tiến hành phân tích bộ gen của E. coli, kiểm tra xem axit amin nào được thay thế bằng axit amin khác trong các protein liên quan từ các loài khác.
Isoleucine là axit amin thường xuyên được thay thế bằng một loại khác . Vì vậy, các nhà nghiên cứu quyết định bắt đầu trả lời câu hỏi liệu chúng ta có thực sự cần nó hay không.
Chỉnh sửa tất cả khoảng 4.500 gen ở E. coli sẽ là một nhiệm vụ to lớn và nhiều thay đổi cùng một lúc gần như chắc chắn sẽ giết chết nó, vì vậy các nhà nghiên cứu đã bắt đầu với các thử nghiệm nhỏ hơn nhiều.
Để bắt đầu, họ lấy một bộ gồm 36 gen thiết yếu và thay thế mọi isoleucine trong đó bằng valine, một loại axit amin tương tự, sau đó đưa gen được đưa vào trở lại bộ gen. Đối với 22 gen, làm như vậy sẽ giết chết tế bào.
Nhưng điều đó cho thấy rằng 17 trong số đó vẫn ổn mà không cần isoleucine, trong đó có một trường hợp nó bị hoán đổi ở 45 vị trí khác nhau dọc theo chuỗi axit amin.
Đáng chú ý, ngay cả trong trường hợp các tế bào chịu đựng được sự thay đổi, tốc độ tăng trưởng của chúng thường chậm lại so với các tế bào chưa được chỉnh sửa. Điều đó sẽ trở thành một chủ đề định kỳ.
Để tập trung vào dự án của mình, các nhà nghiên cứu quyết định bắt đầu chế tạo một ribosome không chứa isoleucine. Ribosome là một phức hợp lớn gồm các protein và RNA giúp chuyển các RNA thông tin thành protein.
Bạn có thể coi nó giống như một trong những thành phần phần cứng cần thiết để khởi động một tế bào sống từ bộ gen. Rõ ràng là nhiều protein trong ribo một số có hoạt tính enzym quan trọng.
Nhưng việc mang phức hợp đó lại với nhau đòi hỏi các protein này phải tương tác với nhau và với các RNA. Vì vậy, ribosome cung cấp một bài kiểm tra nghiêm ngặt để xem liệu tế bào có thể dung nạp được một loại axit amin được tạo ra hay không.
Trong thử nghiệm sơ bộ, nhóm nghiên cứu đã thực hiện hoán đổi isoleucine thành valine cho 50 gen riêng lẻ khác nhau đóng góp protein cho ribosome. 18 trong số đó hoạt động không có vấn đề gì rõ ràng, 19 gen khác phát triển chậm hơn và những thay đổi gây chết người cho 13 gen còn lại.
Sau đó, nhóm nghiên cứu tập trung vào 32 gen bị suy giảm khả năng thích ứng và phần mềm thiết kế protein học sâu được điều chỉnh để đề xuất các trình tự thay thế không bao gồm isoleucine.
Thử nghiệm lặp đi lặp lại bằng cách sử dụng bốn gói phần mềm khác nhau đã tạo ra các chuỗi protein thay thế cho 25 trong số 32 protein này giúp loại bỏ các vấn đề về thể lực. Đối với 5 người còn lại, họ quay lại và buộc phải thay đổi isoleucine.
Sau đó, họ để thiết kế phần mềm thay đổi các axit amin gần với nó về mặt vật lý trong cấu trúc ba chiều của protein, ý tưởng là sự thay đổi axit amin có thể phá vỡ cấu trúc của protein theo cách mà những thay đổi khác về các axit amin gần đó có thể bù đắp.
Điều này dẫn đến việc thiết kế lại thành công bốn trong số năm loại protein có vấn đề.
Mặc dù đây là những thành tựu ấn tượng nhưng việc thử nghiệm chúng riêng lẻ không thực sự mang lại bức tranh toàn cảnh về việc liệu những protein được thiết kế lại này có thể kết hợp với nhau một ribosome tương đương về chức năng hay không.
Để làm được điều đó, các nhà nghiên cứu đã quyết định loại bỏ isoleucine khỏi tất cả các protein trong tiểu đơn vị nhỏ của ribosome. Đây phần lớn là vấn đề thuận tiện.
Các gen của 21 protein trong tiểu đơn vị nhỏ đều được tập hợp cạnh nhau trên một đoạn gen dài 10.000 base, vì vậy các nhà nghiên cứu có thể thay thế tất cả chúng cùng một lúc.
Sử dụng các protein được thiết kế lại từ nghiên cứu trước đó, họ bắt đầu thay thế các đoạn gen ngày càng lớn hơn dọc theo đoạn DNA có 10.000 bazơ này. Bắt đầu từ một phía, họ thay thế 10 gen mà không gặp rắc rối gì.
Vào thời điểm họ thay thế 17 trong số 21 tế bào, các tế bào đã phát triển chậm hơn. Tuy nhiên, việc thay thế 18 gen cùng một lúc sẽ giết chết hoàn toàn các tế bào.
Vì vậy, họ bắt đầu làm việc theo hướng khác và nhận thấy rằng những thay đổi này được chấp nhận cho đến khi chúng chạm vào cùng một gen được xác định là có vấn đề khi đi từ hướng khác. hướng.
Gen đó, được gọi là rplW, dường như là yếu tố cản trở quan trọng. Việc thay thế 20 trong số 21 gen và giữ nguyên rplW đã dẫn đến các tế bào không chỉ sống sót mà còn tăng trưởng với tốc độ khoảng 70% so với tế bào E.
coli chưa biến đổi. Vì vậy, họ đã xem xét cẩn thận những thay đổi mà phần mềm đã đề xuất cho rplW.
Hóa ra phần mềm đã bù đắp cho những thay đổi đối với isoleucine bằng cách xóa một số đoạn axit amin nhỏ gần đó. Mặc dù điều đó rõ ràng có tác dụng tạo ra một protein chức năng, nhưng nó đủ khác biệt để nó không hoạt động kết hợp với tất cả những thay đổi khác.
Tại thời điểm này, nhóm chỉ giải quyết vấn đề một cách vũ phu. Họ có các gói phần mềm đề xuất một số axit amin thay thế cho từng vị trí trong số bốn vị trí isoleucine trong rplW và thử nghiệm mọi sự kết hợp có thể có của chúng (tổng cộng 16 thiết kế).
Một trong những thiết kế này có thể hoàn thiện tiểu đơn vị nhỏ không có isoleucine, với kết quả là chủng này phát triển nhanh hơn khoảng 60% so với chủng chưa được chỉnh sửa.
Các tế bào này đã được phát triển qua 400 thế hệ và thường có 20-30 đột biến, nhưng không có đột biến nào khôi phục được isoleucine cho bất kỳ protein ribosome nào.
Gợi ý thực hành:
1. Theo dõi thông báo từ cơ quan địa phương tại California.
2. Kiểm tra nguồn chính thức trước khi chia sẻ lại thông tin.