發(fā)現遺傳密碼演變的基本限制

在巴塞羅那IRB進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。這歸因于轉移RNA的結構 - 轉移RNA是基因翻譯成蛋白質的關鍵分子。遺傳密碼限于20個氨基酸 - 蛋白質的構建模塊 - 防止系統(tǒng)突變的最大數量，這對于生命是致命的。該發(fā)現可以應用于合成生物學。

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展是解釋生命進化的基礎。在Science Advances中，一個專門研究這一領域的生物學家團隊解釋了制約遺傳密碼進一步發(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)進入包含進行細胞功能的蛋白質的氨基酸序列。

由ICREA研究員LluísRibasde Pouplana在生物醫(yī)學研究所(IRB巴塞羅那)和Fyodor A. Kondrashov，基因組調控中心(CRG)以及IRB Barcelona的Modesto Orozco合作領導，科學家團隊研究表明，遺傳密碼進化到包括最多20 個氨基酸，并且由于轉移RNA的功能限制而無法進一步生長 - 轉移RNA是基因語言和蛋白質之間的解釋器。在細菌，真核生物和古細菌的單獨進化之前，生命復雜性增加的停止發(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生蛋白質。

該研究的作者解釋說，將基因翻譯成蛋白質的機制無法識別超過20種氨基酸，因為它會使它們混淆，這會導致蛋白質的不斷突變，從而導致遺傳信息的錯誤翻譯“帶來災難性后果” ，用里巴斯的話來說。“基于遺傳密碼的蛋白質合成是生物系統(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移RNA(tRNA)，即負責識別遺傳信息的分子并且將相應的氨基酸攜帶到核糖體中，根據給定基因中編碼的信息，將氨基酸鏈制成蛋白質的位置。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的非常復雜的途徑加入。并且有一點，當Nature不能創(chuàng)造出與已有的tRNA充分不同的新tRNA而不會導致識別正確氨基酸的問題。

應用于合成生物學

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

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