大自然是不斷進(jìn)化的——其極限僅取決于威脅物種生存能力的變異。研究遺傳密碼的起源和發(fā)展，對于解釋生命的進(jìn)化非常重要。最近在《Science Advances》發(fā)表的一項(xiàng)研究中，專門從事這一領(lǐng)域的一組生物學(xué)家，解釋了遺傳密碼進(jìn)一步發(fā)展的一個(gè)限制，我們知道，遺傳密碼是一套通用的規(guī)則，地球上所有生物都用其，將核酸（DNA和RNA）基因序列翻譯成氨基酸序列，組成蛋白質(zhì)，執(zhí)行細(xì)胞功能。

在生物醫(yī)學(xué)研究所(IRB巴塞羅那)ICREA研究員Lluís Ribas de Pouplana和基因組調(diào)控中心的Fyodor A. Kondrashov的共同指導(dǎo)下，該科學(xué)家小組已經(jīng)證明，遺傳密碼進(jìn)化到包括最多20種氨基酸，它無法進(jìn)一步增長，是因?yàn)?span lang="EN-US">轉(zhuǎn)移RNA分子的功能性限制——轉(zhuǎn)移RNA這種分子是基因及其編碼蛋白之間的語言翻譯器。這會(huì)使發(fā)生30億多年前的生命復(fù)雜性的增加停止，在細(xì)菌、真核生物和古細(xì)菌類獨(dú)立進(jìn)化之前，因?yàn)樗猩锒际褂孟嗤倪z傳密碼，用遺傳信息生成蛋白質(zhì)。

這項(xiàng)研究的作者解釋說，將基因翻譯成蛋白質(zhì)的機(jī)器，無法識(shí)別超過20種氨基酸，因?yàn)檫@會(huì)使它們迷惑，導(dǎo)致蛋白質(zhì)不斷突變，從而引起基因信息的錯(cuò)誤翻譯，產(chǎn)生“災(zāi)難性的后果”。 研究人員說：“基于遺傳密碼的蛋白質(zhì)合成是生物學(xué)系統(tǒng)的決定性特征，對于確保信息的忠實(shí)翻譯，是至關(guān)重要的。”

由形狀引起的一個(gè)限制

遺傳密碼的飽和，起源于轉(zhuǎn)移RNA（tRNA），這種分子負(fù)責(zé)識(shí)別遺傳信息，并將相應(yīng)的氨基酸攜帶到核糖體——在那里，根據(jù)編碼在給定基因中的信息，氨基酸鏈被制成蛋白質(zhì)。然而，tRNAs必須符合核糖體的腔洞，意味著這些分子必須采用一種L型的空間，在它們之間很少有變異的可能性。Ribas解釋道： “因?yàn)樾碌陌被釙?huì)給系統(tǒng)帶來益處，事實(shí)上，我們使用超過20種氨基酸，但更多的氨基酸是通過不連接到遺傳密碼的、非常復(fù)雜的通路被合并進(jìn)來。當(dāng)大自然無法創(chuàng)建明顯不同于現(xiàn)有tRNAs的新tRNAs、而不引起正確氨基酸識(shí)別的問題時(shí)，問題來了。這發(fā)生在20種氨基酸被延伸時(shí)。”

在合成生物學(xué)中的應(yīng)用

合成生物學(xué)的一個(gè)目標(biāo)是，增加遺傳密碼，并修改它來構(gòu)建具有不同氨基酸的蛋白質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)新的功能。為此，研究人員在嚴(yán)格控制的條件下，使用生物（如細(xì)菌）來制造具有指定特征的蛋白質(zhì)。研究人員總結(jié)道：“但這是非常難做的，我們的工作表明，如果我們要實(shí)現(xiàn)更有效的生物技術(shù)系統(tǒng)，就必須避免實(shí)驗(yàn)室合成的tRNAs和現(xiàn)有tRNAs之間的識(shí)別沖突。”

遺傳密碼是生命的通用語言。它描述了信息如何被編碼進(jìn)遺傳物質(zhì)，并且對所有生物（從簡單的細(xì)菌到動(dòng)物到人類）都是相同的。遺傳密碼的起源一直是個(gè)謎。在過去的兩年里，維也納的研究人員發(fā)現(xiàn)了幾條令人驚訝的線索，可以幫助解開這個(gè)謎。相關(guān)研究結(jié)果以一系列論文的形式發(fā)表，最近一篇論文發(fā)表在2014年12月份的《Nucleic Acids Research》雜志。

2014年6月，日本RIKEN、東京大學(xué)等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家們在Nature雜志上發(fā)表文章，描述了一個(gè)確保tRNA合成酶、tRNA和氨基酸正確配對的巧妙機(jī)制。正是在這種機(jī)制的保駕護(hù)航之下，細(xì)胞才能夠?qū)⑦z傳密碼精確翻譯成為細(xì)胞所需的功能性蛋白。

另外，凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在談及信使RNA(mRNA)如何解譯遺傳密碼中的關(guān)鍵信息時(shí)速度很重要。遺傳密碼是對維持生命至關(guān)重要的一連串復(fù)雜的指令。發(fā)表在2015年3月12日《細(xì)胞》（Cell）雜志上的研究結(jié)果，為科學(xué)家們確定如何更好地操控細(xì)胞來治療疾病，并最終阻止疾病形成，提供了重要的新信息。