科學家們常常試圖通過重編程細菌來生成蛋白質(zhì)藥物，生物燃料及更多的東西，為了讓這些細菌聽從指令他們一直在付出極大的努力。一個隱藏的遺傳密碼特征有可能讓細菌遵循這一程序。這一特征控制了細菌能生成多少想要的蛋白質(zhì)。來自哈佛大學Wyss生物啟發(fā)工程研究所的一個研究小組將這一研究成果在線發(fā)表在9月26日的《科學》（Science）雜志上。

這些研究成果有可能讓生物技術(shù)人員獲益，并有可能幫助合成生物學家重編程細菌從而生產(chǎn)出新藥以及生物設(shè)備。

通過將高速的“新一代”DNA測序與DNA合成技術(shù)相結(jié)合，Wyss研究所研究人員Sri Kosuri博士，Wyss研究所核心成員和哈佛醫(yī)學院遺傳學教授George Church博士，以及Wyss研究所研究生Daniel Goodman，發(fā)現(xiàn)利用靠近基因起始位點附近的較罕見的密碼子可為蛋白質(zhì)生成清除路障。

Kosuri說：“現(xiàn)在我們了解了罕見密碼子控制基因表達的機制，就可以更好地預(yù)知如何能夠合成出能在細胞中生成酶、藥物或任何你想要的東西的基因?！?/SPAN>

為了合成出一種蛋白質(zhì)，細胞必須首先要生成編碼這一蛋白質(zhì)的信使RNA (mRNA)，mRNA是由一連串特定的密碼子構(gòu)成。每個密碼子代表了20種不同氨基酸其中的一種，細胞利用這些氨基酸來組裝蛋白質(zhì)。然而由于細胞有61種密碼子，但它們僅代表20種氨基酸，許多的密碼子是代表相同氨基酸的同義密碼子。

就如同在書籍中，一些詞匯相比于另一些使用更為頻繁，細菌中的密碼子也是如此。在過去的幾年里分子生物學家注意到一些罕見密碼子更頻繁地出現(xiàn)在靠近基因起始位點。更重要的是，開放序列中這些罕見密碼子越多的基因，相比于開放序列中沒有這些罕見密碼子的基因生成的蛋白質(zhì)也更多。

沒有人知道為什么罕見密碼子會造成這樣的影響，而許多的生物學家懷疑它們的功能是作為構(gòu)建蛋白質(zhì)的分子機器——核糖體的一條高速公路駛?cè)肫碌?。根?jù)這一密碼子坡道假說，核糖體等待于駛?cè)肫碌郎希S后沿著mRNA高速公路緩慢加速，使得細胞按謹慎的速度生成蛋白質(zhì)。沒有這一駛?cè)肫碌?，核糖體會沿著mRNA高速公路向下加大油門，隨后像碰碰車一樣發(fā)生碰撞，引起交通事故減慢蛋白質(zhì)生成。其他的生物學家則懷疑罕見密碼子是通過不同的機制來起作用。這些機制中包括mRNA折疊，有可能生成了核糖體路障阻塞高速公路減慢蛋白質(zhì)生成。

為了驗證這些想法是否正確，三名研究人員開發(fā)出了一種高速多路操作方法，他們將這種方法報告在今年8月的《美國科學院院刊》（PNAS）雜志上。

首先，他們通過大量生成具有常見或稀有密碼子的14,000個DNA片段，檢測了罕見密碼子激活基因的情況；將它們接合到靠近一個可讓細胞發(fā)綠光的基因的起始位點，隨后把這些融合基因分別插入到不同的細菌中。他們培養(yǎng)這些細菌，根據(jù)它們的發(fā)光強度對它們進行分選，并對這些片段進行了測序來尋找罕見密碼子。

他們發(fā)現(xiàn)，開放序列中具有罕見密碼子的基因總是生成更多的蛋白質(zhì)，而一個密碼子改變就可以促使細胞的蛋白質(zhì)生成量提高60倍。

“這對細胞來說是一件大事，尤其是如果你想要產(chǎn)出大量你正在制造的蛋白質(zhì)，”Goodman說。

這些結(jié)果也與密碼子坡道假說一致：是罕見密碼子自身，而非折疊mRNA減慢了蛋白質(zhì)生成。但研究人員也發(fā)現(xiàn)，mRNA折疊越多，對應(yīng)生成的蛋白質(zhì)就越少——這一結(jié)果則不利于這一假說。

為了采用一種確定的測試方法來驗證這一假說，Wyss研究小組生成并對超過14,000個mRNAs進行了測試，其中一些具有罕見密碼子但沒有很好地折疊，而另一些沒有罕見密碼子但折疊極好。通過快速檢測每個mRNA的蛋白質(zhì)生成及對結(jié)果進行統(tǒng)計分析，他們能夠區(qū)分兩種效應(yīng)。

Goodman說，結(jié)果清楚地表明，是RNA折疊而非罕見密碼子自身控制了蛋白質(zhì)生成，科學家們可通過改變折疊來提高蛋白質(zhì)生成。

這一新方法有可能幫助解答分子生物學中其他棘手的爭論?！皩⒏咄亢铣膳c新一代測序相結(jié)合，使得我們能夠解答從前無法梳理分析的大型復(fù)雜問題，”Church說。

Wyss 研究所創(chuàng)立人及主任Don Ingber 博士說：“這些關(guān)于密碼子利用的研究發(fā)現(xiàn)有可能幫助科學家已從所未有的精確性操控細菌，它們還為大大提高微生物生產(chǎn)效率提供了一條途徑，有可能具有極大的商業(yè)價值。并且它們還強調(diào)了George領(lǐng)導的合成生物學平臺生成的新自動化技術(shù)難以置信的重要價值，使得我們能夠比以往更迅速地合成和分析基因。”