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更大的遗传密码子更好吗？准备好找出答案

iSynBio造物

2023-09-12

导读：合成生物学家有能力在DNA中添加新的碱基，这些新的碱基可以人为利用地去改善自然。

利用4种碱基来编码20种氨基酸是自然进化的结果。（目前为22种氨基酸，另外两种分别包括吡咯赖氨酸，存在于产甲烷的古菌或细菌中，和硒代半胱氨酸，分布于三个生命域的不同生命体中）

目前，合成生物学家有能力在DNA中添加新的碱基，这些新的碱基可以人为利用地去改善自然。例如，在2017年，位于加利福尼亚州的Scripps研究所的Floyd E. Romesberg团队就首次创建了拥有额外DNA碱基且具有遗传能力的大肠杆菌。

（图片来源于网络）

随着基因编辑领域的创新发展，合成生物学领域已经开始尝试涉足科幻领域，探索以前不敢想象的事物数十年来，科学家们一直在寻找利用基本的生命组成单元构建新的生命形式的策略，希望拥有与众不同的特征。

其中最具代表性的工作是关于氨基酸数量的扩展，蛋白质是生命活动的主要承担者，而氨基酸是构成蛋白质的基本单元。

当遗传密码子的扩展技术迎来重大的进展的时候，研究人员也开始思考究竟要如何改进自然，为什么要改进自然，以及将这些成果转化为实际应用时可能会面临的挑战。毕竟，长期以来的理论研究表明自然界的遗传密码子具有普遍性是有充分理由的。

大家可以思考一下拥有六个碱基是否比四个更好呢？21种氨基酸是否比20种对细胞更有益？那么25种呢？这些问题到现在也没有统一的答案。

驱动工程化改造更多的遗传密码子的动力来源于一些长远的目标。当氨基酸数量增多时，设计合成人造蛋白质成为可能，原则上研究人员可以让药物或工业酶制剂更加高效、实用、精准地发挥功能。

目前许多研究证明非天然氨基酸的引入可以扩展酶的功能，如提高天然酶的活性，作为催化残基，实现人工金属酶的合成等。通过了解人造蛋白质的结构与活性和功能之间的关系，人们也可以更好地理解天然蛋白质的作用机制。

修改天然的遗传密码子表

Floyd E. Romesberg团队距离实现上述目标的最为接近。

该团队设计了具有能够复制、转录和翻译的人工DNA碱基对的细菌细胞。而为了向这一个目标迈近，科学家们用了近20年的时间。研究人员绞尽脑汁地研究如何向基因组的天然四个碱基集合中添加两个新的定制碱基对。

将新的碱基对整合到细胞中，同时通过一系列复杂的改造，使得扩展的碱基对具有意义。由此产生的蛋白质利用了细胞正常情况下不会使用的氨基酸—非天然氨基酸。这项工作于2017年发表在《nature》杂志上，该研究代表了扩展DNA编码氨基酸数量的一个研究方向。

2019年时该团队首次尝试构建真核的半合成生命体并证明在CHO细胞（中国仓鼠卵巢细胞）中可以利用非天然碱基对实现非天然蛋白质的合成。2020年该团队首次实现67个三联密码子的菌株，代表着目前遗传密码子扩展技术的前沿与边界。

在生命体中密码子是否存在数量上限，是否真的可以利用更多的密码子？在生命体中能够解码超过100个密码子吗？200个呢？这问题都在等待着被解答。

也许在遥远的未来，会有这样一个世界，世界中的被工程化改造的生物体利用与现在完全不同的遗传密码的机制。

但是回到现实，地球上所有生物体中的DNA/RNA都含有四个核苷酸碱基。利用字母A、T、C和G代表DNA的四个碱基，代表RNA的碱基时，字母T用U来代替。

这些字母（碱基）构成了一个字母表（遗传密码字典），最终利用字母表拼写出对应的蛋白质。但是为了实现这一流程，细胞首先需要阅读并翻译该字母表，再利用一套编码规则即遗传密码子来解读其含义。（注意其实不同的生命体遗传密码字典是会略有不同的，在线粒体的遗传密码与基因组中也会有区别）

总的来说，可以将DNA比作一个长句子，这个长句子由许多的三字词组成，这三字词叫做密码子（codon）。DNA经翻译形成RNA，而核糖体会解密RNA序列的密码子形成蛋白质。密码子按顺序命名氨基酸，而氨基酸也就按这个顺序添加到蛋白质序列中。

细胞存在四种核苷酸碱基，总共有64个遗传密码子，其中61个密码子分配给20种天然存在的氨基酸，每个氨基酸分配1-6个不等，另外3个为终止密码子即停止蛋白质合成的信号。

遗传密码子字典（图片来源于wikipedia）

Scripps研究所Romesberg团队通过向DNA中添加第五和第六个字母，简称为X和Y，将可用的密码子数量从原来的64个增加到216个。当然，除了Scripps研究所之外，也有研究团队进行类似的工作。

佛罗里达州应用分子进化基金会的化学家史蒂文·贝纳（Steven Benner）的研究团队已经制作出了一个12个字母的遗传字母表（尽管他们还没有将新的碱基对引入活细胞中）。在这两种情况下，研究人员将拥有更多自由的碱基，可以分配给许多以前从未见过或者具有新功能的非天然氨基酸。

此外，还有其他可以实现氨基酸数量扩展的方法。哈佛大学著名遗传学家乔治·丘奇（George Church）带领的研究团队将冗余的密码子分配给非天然氨基酸。

英国剑桥大学医学研究委员会分子生物学实验室的生物化学家杰森·金（Jason Chin）构建了可以阅读四个字母组成的密码子而非三联密码子的核糖体（核糖体是蛋白质的生产机器）。

大自然的卓越遗传密码

当我们可以随意改变这些定义了自然遗传密码的参数（四个核苷酸碱基、三联密码子、20种天然氨基酸）时，几十年前关于密码子是如何进化的，密码子是否是最优的问题重新引起大家的关注与讨论。

拥有六个碱基是否比四个更好呢？对于细胞来说21种氨基酸是否比20种更有益？那么25种呢？

马里兰大学巴尔的摩分校的进化生物学家斯蒂芬·弗里兰德（Stephen Freeland）说：“直到最近，这些都是不可问的问题。” Freeland一直在进行关于遗传密码子适应性对比的理论研究。现在遗传密码子扩展技术已经可以实现，科学家们首次开始考虑通过实验来回答这些问题。

研究遗传密码子的科研人员逐渐确定一个结论，那就是密码子与氨基酸分配很明显不是随机的。相反，这一分配应该是自然选择的结果，优化后的分配旨在产生有利的遗传多样性，同时确保蛋白质合成过程的准确性，避免在生物体的细胞发生最常见的合成错误。

为了实现这一目的，遗传密码采取了多种巧妙的策略。例如，代表相同氨基酸的密码子通常只有它们第三个位置的核苷酸不同，因为第三位碱基是细胞的翻译机制最容易出错的地方。

（有些氨基酸只有两个密码子，通常第三位或者都是嘌呤，或者都是嘧啶，如谷氨酸的密码子GAG和GAA，第三位都为嘌呤，专一性基本取决于前两个碱基。）

即使是具有两个字母相同的不同氨基酸的密码子，它们通常会翻译成具有关键化学性质相似的氨基酸。因此，发生常见的遗传编码错误时蛋白质也大多可以正确折叠，并维持正常功能。

包括Freeland在内的研究人员进行的模拟计算实验已经对比了自然界中真实的遗传密码子与可能的替代方案（密码子任意分配给氨基酸）的相关性质。

结果表明自然界天然采用的遗传密码胜过了几乎所有的替代编码策略。加利福尼亚大学尔湾分校的合成生物学家刘畅（Chang Liu）说：“我们拥有的这个遗传密码比百万的遗传密码的任何一个都要好。”

但是，正如Freeland所说，“遗传密码远非随机”，但也“远非完美”。也就是说，目前的遗传密码子可能为局部最优解，即在20种氨基酸可以选择时，产生的众多密码中最好的，但这并不一定意味着它在全局是最好的。

“达尔文进化所做的是在序列空间中进行局部搜索。毕竟，你要用能够发挥作用的东西，” Benner说。

改变规则

增加DNA碱基对或氨基酸数量的能力完全改变了游戏规则。因为即使是2个碱基组成的系统也非常高效，许多研究人员推测原始的生命细胞是从一个碱基对开始，当生命系统变得更加得复杂和精妙，DNA中的信息密度变得更有优势之后，才演化出第二对碱基。但为什么要局限在四个呢？

Freeland疑惑：“将碱基对增加到六个或八个碱基是否会扩大优势？你可以从每个单位遗传片段中获得更多的信息，去了解这是否真的让某些事情变得更好、更有效将会是一件非常有趣的事情。”

也有人认为拥有六个（或更多）碱基可能并不是最优的：

当碱基数量增多时突变也会增多，使细胞难以控制导致损伤。一项模拟研究表明使用两个碱基对的生物群体不仅具有最佳的复制准确性，而且会最有效地进化，达到最高的适应度水平。

但是，根据Romesberg的说法，这一争论都存在一个问题：如果不了解数十亿年前在密码子进化过程中存在的选择性压力——如果不明确清晰当时环境的变化速度或竞争情况——就无法对突变率做出这样的推断。

同样的质疑也适用于三联密码子是否是最佳字母数量。他在一封电子邮件中写道：“当你不了解这个问题时，很难对其进行理论推测。”

因此，最终这个争论归结为目前氨基酸数量是否是最优的问题—大多数生物含有20种氨基酸，部分生物的氨基酸为21或22种。

Freeland认为20种氨基酸已经“足够好”，足以实现所有生命体的利用，并使生命体适应于各种极端环境。并且在广泛的亲水性、大小和电负性值的范围内20种天然氨基酸分布均匀。

组成蛋白质的氨基酸汤（图片来源于网络）

如果向调色板中添加更多的色彩是否会改进什么？有的人认为不会—拥有20、21或22种氨基酸是一个“金发姑娘”的场景（此处指的是童话故事金发姑娘和三只熊，一般指恰到好处），此时氨基酸的性质分布足够广泛，使蛋白质具有丰富多样性的同时还可以有效地进化。

其他人持不同意见，并期待在不久的将来会有证据支持。

根据Benner的想法，组成DNA的核苷酸不够稳定，如果选择得当，扩展碱基的数量可能会产生积极影响。

“可以想象，从长期进化水平来说，更多的氨基酸意味着更好的适应” 刘畅说。“但这将是一种全新的、难以预测的化学方式。”

Freeland同意这一说法并指出有证据表明生命始于较少数量的氨基酸，然后逐渐扩大了氨基酸的数量。由早稻田大学的赤沼智（Satoshi Akanuma）领导的日本研究团队证明由 13 种氨基酸足以构成折叠、可溶、稳定具有催化活性的“蛋白质”，而来源于德国的氧化还原医学专家Bernd Moosmann认为剩余的7种氨基酸的功能是保护生命体免受氧化损伤。

预测的生命体最后的祖先Luca，理论氨基酸为17-18个，缺少最后的三个氨基酸甲硫氨酸、色氨酸、酪氨酸，这三个氨基酸和氧气具有很好的反应性。“20种氨基酸并没有什么神奇之处”，Freeland说“目前还不清楚超越这个数字会有什么好处。我并不是说氨基酸的数量不能再继续优化，只是20种已经足够好了。”

遗传密码的重大创新可能也会难以立足，因为许多研究人员认为这些规则实际上已经处于“冻结”状态。

Benner说，一旦生命体开始利用三联密码子繁衍，与这一系统偏离的任何事物都很难与该系统竞争。如何克服这种冻结状态实现新氨基酸的引入也是一个值得思考的问题。

以适配体（aptamer）闻名的德克萨斯大学奥斯汀分校的生物化学教授安德鲁·埃林顿（Andrew Ellington）目前专注于人工生命的发展和演化。Ellington认为给予生命体编码第21种氨基酸的能力，生命体将会利用该化学单元使自己适应性更好。

研究团队证明非天然氨基酸（3-碘-酪氨酸）可以增加T7噬菌体的进化能力。但是利用可编码新氨基酸的大肠杆菌培养T7噬菌体时，通过适应性进化获得了热稳定的噬菌体，但与新氨基酸的存在无关。因此非天然氨基酸的存在是否或如何提高生命体的适应性依旧有待研究。

克服大自然的先发优势

目前，扩展的合成遗传密码无法与自然的遗传密码子竞争，毫无疑问，他们比天然的遗传密码子更差。Romesberg的半合成生物（semi-synthetic organisms）复制效率较低，存在更高的突变率。

他们的密码子也不够稳定，一部分原因是人造的X-Y碱基对往往会相对迅速地突变为自然的碱基对。Romesberg的研究团队正在寻找研究克服这些问题的方法。Romesberg 说“大自然有更多的时间来解决这个问题。”

此外，优化并不是最重要的目标，将非天然氨基酸整合进入生命体的实验是面向应用而进行的探索性研究。

实际上，Church表示，尽管他们的研究团队希望构建的生命体可以在实验室中足够强大的同时也希望新的遗传密码可以让生命体“略微脆弱”，如果构建的生命体逃逸将会大大增加他们的致死概率。

在不远的将来，当技术能够确保Romesberg、Benner和Church设计的遗传密码的稳定性和精确性时候，就来到了“测试拥有更多氨基酸是否更好”的时刻。目前，他们只是刚刚开始。

正如Freeland所说：“我们现在有点像在西部荒野一样，不是吗？”（西部荒野指19世纪蛮荒时代的美国西部地区。牛仔、印第安人、酒馆、亡命之徒，和枪战是那个时代的代名词。）

参考资料：

1.https://www.quantamagazine.org/is-a-bigger-genetic-code-better-get-ready-to-find-out-20180102/

2. https://www.nature.com/articles/s41589-020-0522-0

3. https://en.wikipedia.org/wiki/Goldilocks_principle

4.https://www.chemistryworld.com/features/why-are-there-20-amino-acids/3009378.article

5. https://zhuanlan.zhihu.com/p/455142000

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译者/if

审核/懂个皮

编辑/麦璇风

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