在劉易斯卡羅爾的經(jīng)典作品中，通過鏡子，Humpty Dumpty說，“當(dāng) 我 用一個詞時，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)建筑計劃的語言。人們一直認(rèn)為只有一個這樣的“規(guī)范”代碼，所以每個詞對每個有機(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，事實并非如此。生命的很大一部分使用不同的詞匯，其中同一個詞在不同的生物體中意味著不同的東西。“

這項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驗室中成長和研究，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，在實驗室中無視文化，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)圖而不需要在實驗室中培育它們，為我們提供了一個進(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，研究我們可以在實驗室中生長的有機(jī)體，同時我們知道大多數(shù)微生物的生命對實驗室中的生長非常有抵抗力。在這個項目中，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)會了解遺傳密碼如何在野外運作。它正在幫助我們對大自然如何運作以及微生物如何管理我們的星球有一個公正的看法。“

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個密碼子，除了這些三聯(lián)體中的三個之外，其他三個都編碼實際氨基酸 - 蛋白質(zhì)的構(gòu)建模塊。其余三個是“終止密碼子”，它們使分子機(jī)器停止運轉(zhuǎn)，終止RNA轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)。每個都有一個名字：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，構(gòu)建由氨基酸組成的蛋白質(zhì)，并到達(dá)Amber，Opal或Ocher，這個三聯(lián)體將發(fā)出信號表明它們已到達(dá)蛋白質(zhì)末端。

“這有點像'停止標(biāo)志'，”魯賓說。“但我們在研究中看到的是，在某些生物體中，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，特別觀察到該團(tuán)隊對尋找規(guī)范遺傳密碼中的故障感興趣：細(xì)菌具有長度僅為200個堿基對的極短基因。通常，來自微生物的基因長約800-900個堿基對。

“當(dāng)試圖使用規(guī)范密碼子表解釋這些細(xì)菌的序列時，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。計算上，他們篩選了大量“干草堆”的序列數(shù)據(jù)，5.6萬億個遺傳密碼(相當(dāng)于近2,000個人類基因組)。這些來自遠(yuǎn)在海洋，淡水和陸地環(huán)境中的遙遠(yuǎn)和深奧地點的1,700多個樣本 - 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%的時間，”魯賓說。

研究人員發(fā)現(xiàn)的另一個觀察結(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在其細(xì)菌宿主中發(fā)現(xiàn)的任何一個都不相符。我們對這個結(jié)果感到頭疼，因為我們想知道主持人的情況如何。該教條告訴我們噬菌體需要與宿主共享相同的代碼，但我們在細(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問題，事實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，我們需要牢記這一點?，F(xiàn)在我們對密碼子表的規(guī)范性質(zhì)的假設(shè)被動搖了，我們將能夠設(shè)計新的分析方法，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)計為具有故意改變的遺傳密碼，被設(shè)計為“防火墻”以防止實驗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：“如果我有一個屬于我自己的世界，那么一切都是無稽之談。”