大自然是不斷進化的——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展，對于解釋生命的進化非常重要。最近在《Science Advances》發表的一項研究中，專門從事這一領域的一組生物學家，解釋了遺傳密碼進一步發展的一個限制，我們知道，遺傳密碼是一套通用的規則，地球上所有生物都用其，将核酸（DNA和RNA）基因序列翻譯成氨基酸序列，組成蛋白質，執行細胞功能。

在生物醫學研究所(IRB巴塞羅那)ICREA研究員Lluís Ribas de Pouplana和基因組調控中心的Fyodor A. Kondrashov的共同指導下，該科學家小組已經證明，遺傳密碼進化到包括最多20種氨基酸，它無法進一步增長，是因為轉移RNA分子的功能性限制——轉移RNA這種分子是基因及其編碼蛋白之間的語言翻譯器。這會使發生30億多年前的生命複雜性的增加停止，在細菌、真核生物和古細菌類獨立進化之前，因為所有生物都使用相同的遺傳密碼，用遺傳信息生成蛋白質。

這項研究的作者解釋說，将基因翻譯成蛋白質的機器，無法識别超過20種氨基酸，因為這會使它們迷惑，導緻蛋白質不斷突變，從而引起基因信息的錯誤翻譯，産生“災難性的後果”。 研究人員說：“基于遺傳密碼的蛋白質合成是生物學系統的決定性特征，對于确保信息的忠實翻譯，是至關重要的。”

由形狀引起的一個限制

遺傳密碼的飽和，起源于轉移RNA（tRNA），這種分子負責識别遺傳信息，并将相應的氨基酸攜帶到核糖體——在那裡，根據編碼在給定基因中的信息，氨基酸鍊被制成蛋白質。然而，tRNAs必須符合核糖體的腔洞，意味着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： “因為新的氨基酸會給系統帶來益處，事實上，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、非常複雜的通路被合并進來。當大自然無法創建明顯不同于現有tRNAs的新tRNAs、而不引起正确氨基酸識别的問題時，問題來了。這發生在20種氨基酸被延伸時。”

在合成生物學中的應用

合成生物學的一個目标是，增加遺傳密碼，并修改它來構建具有不同氨基酸的蛋白質，以實現新的功能。為此，研究人員在嚴格控制的條件下，使用生物（如細菌）來制造具有指定特征的蛋白質。研究人員總結道：“但這是非常難做的，我們的工作表明，如果我們要實現更有效的生物技術系統，就必須避免實驗室合成的tRNAs和現有tRNAs之間的識别沖突。”

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

2014年6月，日本RIKEN、東京大學等機構的科學家們在Nature雜志上發表文章，描述了一個确保tRNA合成酶、tRNA和氨基酸正确配對的巧妙機制。正是在這種機制的保駕護航之下，細胞才能夠将遺傳密碼精确翻譯成為細胞所需的功能性蛋白（Nature：深入第二套遺傳密碼）。

另外，凱斯西儲大學的科學家們發現，在談及信使RNA(mRNA)如何解譯遺傳密碼中的關鍵信息時速度很重要。遺傳密碼是對維持生命至關重要的一連串複雜的指令。發表在2015年3月12日《細胞》（Cell）雜志上的研究結果，為科學家們确定如何更好地操控細胞來治療疾病，并最終阻止疾病形成，提供了重要的新信息（Cell揭示遺傳密碼中的隐秘信息）。

（生物通：王英）

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