在劉易斯卡羅爾的經(jīng)典作品中，通過鏡子，Humpty Dumpty說，“當(dāng) 我 用一個(gè)詞時(shí)，它意味著我選擇它的意思 - 既不多也不少。”反過來，愛麗絲(仙境成名)說，“問題是，你是否 可以 使詞語意味著許多不同的東西。“地球上的所有生物都使用遺傳密碼，這是在DNA中指定蛋白質(zhì)建筑計(jì)劃的語言。人們一直認(rèn)為只有一個(gè)這樣的“規(guī)范”代碼，所以每個(gè)詞對(duì)每個(gè)有機(jī)體都意味著相同的東西。雖然之前偶然發(fā)現(xiàn)了一些偏離這種規(guī)范代碼的生物的例子，但這些被廣泛認(rèn)為是非常罕見的進(jìn)化怪異，在地球上的大多數(shù)地方并不代表一小部分物種?，F(xiàn)在，這個(gè)范例受到了美國能源部聯(lián)合基因組研究所(DOE JGI)的一組研究人員在2014年5月23日期刊中發(fā)表的規(guī)范遺傳密碼的大量例外情況的挑戰(zhàn)。

“一直以來，我們都認(rèn)為有機(jī)體使用的代碼或詞匯是普遍的，適用于生命樹的所有分支，幾乎沒有例外，”DOE JGI主任Eddy Rubin和科學(xué)論文的資深作者說。“我們現(xiàn)在已經(jīng)證實(shí)，事實(shí)并非如此。生命的很大一部分使用不同的詞匯，其中同一個(gè)詞在不同的生物體中意味著不同的東西。“

這項(xiàng)研究是在美國能源部JGI繼續(xù)努力探索被稱為“微生物暗物質(zhì)”的生物前沿的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。這些微生物很難在實(shí)驗(yàn)室中成長和研究，但幾乎所有環(huán)境都來自人類的腸道到海底的熱通風(fēng)口。地球上大約99%的微生物物種都屬于這一類，在實(shí)驗(yàn)室中無視文化，但卻極大地影響了植物生長和健康，土地和海洋的碳和其他養(yǎng)分循環(huán)，甚至氣候過程中最重要的環(huán)境過程。

“宏基因組和單細(xì)胞基因組學(xué)的工具，我們用它來確定微生物的遺傳藍(lán)圖而不需要在實(shí)驗(yàn)室中培育它們，為我們提供了一個(gè)進(jìn)入未開發(fā)的，未培養(yǎng)的微生物世界的窗口，”魯賓說。“我們使用的比喻是，直到最近我們才開始在燈柱下尋找新的生命，研究我們可以在實(shí)驗(yàn)室中生長的有機(jī)體，同時(shí)我們知道大多數(shù)微生物的生命對(duì)實(shí)驗(yàn)室中的生長非常有抵抗力。在這個(gè)項(xiàng)目中，利用宏基因組學(xué)和單細(xì)胞基因組學(xué)來探索未培養(yǎng)的微生物，我們真的有機(jī)會(huì)了解遺傳密碼如何在野外運(yùn)作。它正在幫助我們對(duì)大自然如何運(yùn)作以及微生物如何管理我們的星球有一個(gè)公正的看法。“

自從DNA結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)和分子生物學(xué)的中心教條的出現(xiàn)已經(jīng)有60年了，其中DNA作為RNA的模板，這些核苷酸形成稱為密碼子的三聯(lián)體。有64個(gè)密碼子，除了這些三聯(lián)體中的三個(gè)之外，其他三個(gè)都編碼實(shí)際氨基酸 - 蛋白質(zhì)的構(gòu)建模塊。其余三個(gè)是“終止密碼子”，它們使分子機(jī)器停止運(yùn)轉(zhuǎn)，終止RNA轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)。每個(gè)都有一個(gè)名字：琥珀，蛋白石和赭石。當(dāng)有機(jī)體的機(jī)器讀取DNA中的指令時(shí)，構(gòu)建由氨基酸組成的蛋白質(zhì)，并到達(dá)Amber，Opal或Ocher，這個(gè)三聯(lián)體將發(fā)出信號(hào)表明它們已到達(dá)蛋白質(zhì)末端。

“這有點(diǎn)像'停止標(biāo)志'，”魯賓說。“但我們?cè)谘芯恐锌吹降氖牵谀承┥矬w中，停止標(biāo)志并未被解釋為停止，而是表示繼續(xù)添加氨基酸并擴(kuò)大蛋白質(zhì)。”

當(dāng)該研究的主要研究者，DOE JGI的Natalia Ivanova發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，特別觀察到該團(tuán)隊(duì)對(duì)尋找規(guī)范遺傳密碼中的故障感興趣：細(xì)菌具有長度僅為200個(gè)堿基對(duì)的極短基因。通常，來自微生物的基因長約800-900個(gè)堿基對(duì)。

“當(dāng)試圖使用規(guī)范密碼子表解釋這些細(xì)菌的序列時(shí)，通常將Opal解釋為停止標(biāo)志，導(dǎo)致細(xì)菌具有令人難以置信的短基因。當(dāng)納塔利亞使用不同的詞匯，其中Opal，而不是被解釋為停止，被認(rèn)為編碼氨基酸甘氨酸，細(xì)菌中的基因突然看起來是正常長度，“魯賓說。他們對(duì)這一發(fā)現(xiàn)的解釋是，“蛋白石 - 重新編碼”的生物不是停止，而是將氨基酸摻入多肽中，該氨基酸不斷生長并最終產(chǎn)生正常大小的蛋白質(zhì)。

根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，他們希望看到這種情況在自然界中發(fā)生的頻率，并在未培養(yǎng)的微生物的大量序列數(shù)據(jù)中尋找相似的事件。計(jì)算上，他們篩選了大量“干草堆”的序列數(shù)據(jù)，5.6萬億個(gè)遺傳密碼(相當(dāng)于近2,000個(gè)人類基因組)。這些來自遠(yuǎn)在海洋，淡水和陸地環(huán)境中的遙遠(yuǎn)和深?yuàn)W地點(diǎn)的1,700多個(gè)樣本 - 來自人類口腔和腸道更接近家庭和更平淡無奇的地方。

“我們驚訝地發(fā)現(xiàn)野生中前所未有的細(xì)菌數(shù)量具有這些密碼子的重新分配，從”停止“到氨基酸編碼”感覺“，在某些環(huán)境中高達(dá)10%的時(shí)間，”魯賓說。

研究人員發(fā)現(xiàn)的另一個(gè)觀察結(jié)果是，除了細(xì)菌之外，這些重新分配也發(fā)生在噬菌體中，這些病毒攻擊細(xì)菌細(xì)胞。噬菌體感染細(xì)菌，將細(xì)胞注入細(xì)胞并利用細(xì)胞的翻譯機(jī)制創(chuàng)造更多的細(xì)胞，直到細(xì)菌細(xì)胞爆炸，釋放出更多的子代噬菌體顆粒，擴(kuò)散到鄰近的細(xì)菌并發(fā)揮作用。

“為了實(shí)現(xiàn)這一切，已確立的教條是噬菌體需要使用宿主細(xì)胞使用的確切遺傳密碼，否則，無論它注入的DNA是什么，都不會(huì)被正確翻譯，”魯賓說。“但我們觀察到噬菌體的密碼子詞匯與我們?cè)谄浼?xì)菌宿主中發(fā)現(xiàn)的任何一個(gè)都不相符。我們對(duì)這個(gè)結(jié)果感到頭疼，因?yàn)槲覀兿胫乐鞒秩说那闆r如何。該教條告訴我們噬菌體需要與宿主共享相同的代碼，但我們?cè)诩?xì)菌中看不到琥珀。那么這些噬菌體在做什么呢?“

魯賓說，這條妙語是錯(cuò)誤的教條。

“噬菌體顯然并不真正關(guān)心宿主的密碼子使用。他們有辦法解決這個(gè)問題，事實(shí)上他們利用差異攻擊宿主。“噬菌體使用某些分子技巧，只是密碼子表中的那些微小變化，以抑制宿主細(xì)胞的保護(hù)機(jī)制進(jìn)行'惡意接管'細(xì)胞 “我們把這種策略稱為'密碼戰(zhàn)'，”魯賓說。“在描述環(huán)境特征以及它們的常駐微生物如何促進(jìn)生物化學(xué)和生物地球化學(xué)過程時(shí)，我們需要牢記這一點(diǎn)?，F(xiàn)在我們對(duì)密碼子表的規(guī)范性質(zhì)的假設(shè)被動(dòng)搖了，我們將能夠設(shè)計(jì)新的分析方法，將這種意想不到的復(fù)雜現(xiàn)象考慮在內(nèi)，這樣我們就可以更好地理解這些環(huán)境如何發(fā)揮作用。“

Rubin指出，其他值得思考的問題是，是否可以為通過合成生物學(xué)開發(fā)的那些新興生物有效地建立適當(dāng)?shù)目刂啤＿@些生物中的一些已經(jīng)被設(shè)計(jì)為具有故意改變的遺傳密碼，被設(shè)計(jì)為“防火墻”以防止實(shí)驗(yàn)室工程微生物與其野外表親之間的遺傳信息交換。

愛麗絲夢(mèng)游仙境當(dāng)然捕獲了大自然復(fù)雜性的煩惱：“如果我有一個(gè)屬于我自己的世界，那么一切都是無稽之談。”