發(fā)現(xiàn)遺傳密碼演變的基本限制

在巴塞羅那IRB進(jìn)行的一項研究解釋了為什么遺傳密碼在3000萬年前停止增長。這歸因于轉(zhuǎn)移RNA的結(jié)構(gòu) - 轉(zhuǎn)移RNA是基因翻譯成蛋白質(zhì)的關(guān)鍵分子。遺傳密碼限于20個氨基酸 - 蛋白質(zhì)的構(gòu)建模塊 - 防止系統(tǒng)突變的最大數(shù)量，這對于生命是致命的。該發(fā)現(xiàn)可以應(yīng)用于合成生物學(xué)。

自然界在不斷發(fā)展 - 它的極限只能通過威脅物種生存能力的變化來決定。研究遺傳密碼的起源和擴(kuò)展是解釋生命進(jìn)化的基礎(chǔ)。在Science Advances中，一個專門研究這一領(lǐng)域的生物學(xué)家團(tuán)隊解釋了制約遺傳密碼進(jìn)一步發(fā)展的局限性，遺傳密碼是地球上所有生物體用來翻譯核酸基因序列的一套通用規(guī)則(DNA和RNA)進(jìn)入包含進(jìn)行細(xì)胞功能的蛋白質(zhì)的氨基酸序列。

由ICREA研究員LluísRibasde Pouplana在生物醫(yī)學(xué)研究所(IRB巴塞羅那)和Fyodor A. Kondrashov，基因組調(diào)控中心(CRG)以及IRB Barcelona的Modesto Orozco合作領(lǐng)導(dǎo)，科學(xué)家團(tuán)隊研究表明，遺傳密碼進(jìn)化到包括最多20 個氨基酸，并且由于轉(zhuǎn)移RNA的功能限制而無法進(jìn)一步生長 - 轉(zhuǎn)移RNA是基因語言和蛋白質(zhì)之間的解釋器。在細(xì)菌，真核生物和古細(xì)菌的單獨進(jìn)化之前，生命復(fù)雜性增加的停止發(fā)生在超過30億年前，因為所有生物都使用相同的代碼從遺傳信息中產(chǎn)生蛋白質(zhì)。

該研究的作者解釋說，將基因翻譯成蛋白質(zhì)的機(jī)制無法識別超過20種氨基酸，因為它會使它們混淆，這會導(dǎo)致蛋白質(zhì)的不斷突變，從而導(dǎo)致遺傳信息的錯誤翻譯“帶來災(zāi)難性后果” ，用里巴斯的話來說。“基于遺傳密碼的蛋白質(zhì)合成是生物系統(tǒng)的決定性特征，確保信息的忠實翻譯至關(guān)重要，”研究人員說。

形狀所施加的限制

遺傳密碼的飽和起源于轉(zhuǎn)移RNA(tRNA)，即負(fù)責(zé)識別遺傳信息的分子并且將相應(yīng)的氨基酸攜帶到核糖體中，根據(jù)給定基因中編碼的信息，將氨基酸鏈制成蛋白質(zhì)的位置。然而，tRNA必須適合的核糖體腔意味著這些分子必須采用L形，并且它們之間幾乎沒有變化的可能性。“制造新的氨基酸對系統(tǒng)有益，因為事實上，我們使用的氨基酸超過了20種氨基酸，但是額外的氨基酸通過與遺傳密碼無關(guān)的非常復(fù)雜的途徑加入。并且有一點，當(dāng)Nature不能創(chuàng)造出與已有的tRNA充分不同的新tRNA而不會導(dǎo)致識別正確氨基酸的問題。

應(yīng)用于合成生物學(xué)

合成生物學(xué)的目標(biāo)之一是增加遺傳密碼并對其進(jìn)行修飾以構(gòu)建具有不同氨基酸的蛋白質(zhì)以實現(xiàn)新的功能。為此，研究人員在高度受控的條件下使用細(xì)菌等生物來制造具有特定特征的蛋白質(zhì)。“但這很難做到，我們的工作表明，如果要實現(xiàn)更有效的生物技術(shù)系統(tǒng)，必須避免實驗室設(shè)計的合成tRNA與現(xiàn)有tRNA之間的識別沖突，”研究人員總結(jié)道。

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