Mithilfe künstlicher Intelligenz zeigt eine extreme Mikrobe, wie sich die Bausteine ​​des Lebens an hohen Druck anpassen

Mithilfe eines Tools für künstliche Intelligenz von Google konnten Wissenschaftler herausfinden, wie die Proteine ​​einer wärmeliebenden Mikrobe auf die harten Bedingungen in den tiefsten Meeresgräben unseres Planeten reagieren. Dies bietet neue Einblicke in die mögliche Entwicklung dieser Bausteine ​​des Lebens unter den Bedingungen der frühen Erde.

Die Ergebnisse, veröffentlicht In PRX Lebenwird wahrscheinlich weitere Studien über die Funktionsweise von Proteinen und Leben auf anderen Planeten anregen und als erfolgreiche Fallstudie dafür dienen, wie künstliche Intelligenz solche Forschungen um Jahrzehnte beschleunigen konnte.

„Diese Arbeit gibt uns eine bessere Vorstellung davon, wie man ein neues Protein entwickeln könnte, das Stress standhält, und neue Hinweise darauf, welche Arten von Proteinen in Umgebungen mit hohem Druck, wie sie auf dem Meeresgrund oder auf einem anderen Planeten vorkommen, wahrscheinlicher existieren würden“, sagte Stephen Fried, ein Chemiker der Johns Hopkins University, der die Forschung mitleitete.

Frieds Team setzte Thermus thermophilus – einen Mikroorganismus, der aufgrund seiner Hitzeresistenz häufig in wissenschaftlichen Experimenten verwendet wird – im Labor simulierten Drücken aus, die denen des Marianengrabens nachempfunden waren. Die Tests zeigten, dass einige seiner Proteine ​​diesen Belastungsstufen standhalten, weil sie eine eingebaute Flexibilität mit zusätzlichem Raum zwischen ihren Atomstrukturen besitzen, eine Konstruktion, die es ihnen ermöglicht, sich zusammenzudrücken, ohne zu kollabieren.

Die Art und Weise, wie sich die Bausteine ​​eines Proteins, oder Aminosäureketten, „falten“ oder zu 3D-Strukturen anordnen, bestimmt ihre Funktion. Diese Strukturen können jedoch sehr empfindlich auf Temperatur, Druck und andere Faktoren in der Umgebung (sowie biochemische und genetische Störungen) reagieren, die dazu führen, dass sie sich falsch falten und dysfunktionale Formen annehmen.

Die Analyse zeigt, dass 60 % der Proteine ​​in den Bakterien dem Druck standhielten, während der Rest unter dem Druck nachgab und seine Form deformierte, insbesondere an Stellen, von denen bekannt ist, dass sie eine wichtige biochemische Funktion haben. Die Erkenntnisse könnten helfen zu erklären, wie andere Organismen unter extremem Druck gedeihen, der die meisten Lebewesen töten würde.

„Das Leben hatte offensichtlich über Milliarden von Jahren hinweg einen evolutionären Antrieb, sich an unterschiedliche Umgebungen anzupassen, aber Evolution kann manchmal fast wie eine magische Sache klingen“, sagte Fried. „Hier gehen wir wirklich auf die Biophysik ein, wie das passiert, und sehen, dass es auf eine einfache geometrische Lösung in der 3D-Anordnung der Bausteine ​​dieser Proteine ​​zurückzuführen ist.“

Die Ergebnisse seien ein Beleg für das Potenzial künstlicher Intelligenz für wissenschaftliche Entdeckungen, sagte Fried. Durch die Integration der Leistungsfähigkeit des AlphaFold-Tools von Google konnte das Team die druckempfindlichen Teile des gesamten Proteinsatzes von T. thermophilus kartieren. Das KI-Tool sagte die Struktur der über 2.500 Proteine ​​des Organismus voraus und half dem Team, die Korrelation zwischen ihren Konfigurationen und ihrer Fähigkeit, Druckänderungen zu widerstehen, zu berechnen – eine Leistung, die allein mit direkten Messungen viele Jahrzehnte gedauert hätte, sagte Fried.

Obwohl der Modellorganismus eher für seine Fähigkeit bekannt ist, in der Nähe von heißen Quellen oder hydrothermalen Quellen zu gedeihen, und nicht dafür, dem Druck der Tiefsee standzuhalten, könnten die Ergebnisse Licht auf das Leben in der Tiefsee werfen, das äußerst wenig erforscht – und auch unbekannt – ist, sagt die Autorin Haley Moran, eine Chemikerin von der Johns Hopkins University, die „extreme“ Organismen erforscht.

„Viele Menschen sagen voraus, dass wir, wenn wir außerirdisches Leben finden, es tief im Ozean eines Planeten oder Mondes finden werden. Aber wir verstehen das Leben in unserem eigenen Ozean nicht vollständig, wo es viele verschiedene Arten gibt, die nicht nur tolerieren, was uns töten würde, sondern sie lieben es und gedeihen darin“, sagte Moran. „Wir nehmen Proteine, einen der Bausteine ​​des Lebens, und setzen sie diesen extremen Bedingungen aus, um zu sehen, wie sie sich anpassen können, um die Grenzen des Lebens zu erweitern.“

Die Ergebnisse zeigen auch, dass Hochdrucktests zusätzliche molekulare Funktionen aufdecken könnten, die bei anderen Organismen verborgen bleiben. Bisher ging man davon aus, dass man den Druck weit über das Niveau der Ozeangräben hinaus erhöhen müsste, um die Biochemie eines Proteins zu beeinflussen, sagt Autor Richard Gillilan, ein Chemiker der Cornell University, der an der Entwicklung der Hochdruckexperimente beteiligt war.

„Wir waren wirklich überrascht, aber als wir die Zahlen weiter überprüften und einzelne Molekülstrukturen untersuchten, erkannten wir, dass dies eine Schatzkarte war“, sagte Gillilan. „Wir haben eine Tür geöffnet, die viele neue Ziele für strukturelle und biophysikalische Studien, vielleicht sogar für die Arzneimittelforschung, bieten wird.“

Als nächstes wird das Team Experimente an anderen Organismen durchführen, insbesondere an solchen, die unter hohem Druck in der Tiefsee gedeihen.

Weitere Autoren sind Edgar Manriquez-Sandoval und Piyoosh Sharma von Johns Hopkins.