科学家们常常试图通过重编程细菌来生成蛋白质药物，生物燃料及更多的东西，为了让这些细菌听从指令他们一直在付出极大的努力。一个隐藏的遗传密码特征有可能让细菌遵循这一程序。这一特征控制了细菌能生成多少想要的蛋白质。来自哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的一个研究小组将这一研究成果在线发表在9月26日的《科学》（Science）杂志上。

 

这些研究成果有可能让生物技术人员获益，并有可能帮助合成生物学家重编程细菌从而生产出新药以及生物设备。

 

Kosuri说：“现在我们了解了罕见密码子控制基因表达的机制，就可以更好地预知如何能够合成出能在细胞中生成酶、药物或任何你想要的东西的基因。”

 

为了合成出一种蛋白质，细胞必须首先要生成编码这一蛋白质的信使RNA (mRNA)，mRNA是由一连串特定的密码子构成。每个密码子代表了20种不同氨基酸其中的一种，细胞利用这些氨基酸来组装蛋白质。然而由于细胞有61种密码子，但它们仅代表20种氨基酸，许多的密码子是代表相同氨基酸的同义密码子。

 

就如同在书籍中，一些词汇相比于另一些使用更为频繁，细菌中的密码子也是如此。在过去的几年里分子生物学家注意到一些罕见密码子更频繁地出现在靠近基因起始位点。更重要的是，开放序列中这些罕见密码子越多的基因，相比于开放序列中没有这些罕见密码子的基因生成的蛋白质也更多。

 

没有人知道为什么罕见密码子会造成这样的影响，而许多的生物学家怀疑它们的功能是作为构建蛋白质的分子机器——核糖体的一条高速公路驶入坡道。根据这一密码子坡道假说，核糖体等待于驶入坡道上，随后沿着mRNA高速公路缓慢加速，使得细胞按谨慎的速度生成蛋白质。没有这一驶入坡道，核糖体会沿着mRNA高速公路向下加大油门，随后像碰碰车一样发生碰撞，引起交通事故减慢蛋白质生成。其他的生物学家则怀疑罕见密码子是通过不同的机制来起作用。这些机制中包括mRNA折叠，有可能生成了核糖体路障阻塞高速公路减慢蛋白质生成。

 

为了验证这些想法是否正确，三名研究人员开发出了一种高速多路操作方法，他们将这种方法报告在今年8月的《美国科学院院刊》（PNAS）杂志上。他们发现，开放序列中具有罕见密码子的基因总是生成更多的蛋白质，而一个密码子改变就可以促使细胞的蛋白质生成量提高60倍。“这对细胞来说是一件大事，尤其是如果你想要产出大量你正在制造的蛋白质，”Goodman说。

 

这些结果也与密码子坡道假说一致：是罕见密码子自身，而非折叠mRNA减慢了蛋白质生成。但研究人员也发现，mRNA折叠越多，对应生成的蛋白质就越少——这一结果则不利于这一假说。

 

为了采用一种确定的测试方法来验证这一假说，Wyss研究小组生成并对超过14,000个mRNAs进行了测试，其中一些具有罕见密码子但没有很好地折叠，而另一些没有罕见密码子但折叠极好。通过快速检测每个mRNA的蛋白质生成及对结果进行统计分析，他们能够区分两种效应。

 

Goodman说，结果清楚地表明，是RNA折叠而非罕见密码子自身控制了蛋白质生成，科学家们可通过改变折叠来提高蛋白质生成。

 

这一新方法有可能帮助解答分子生物学中其他棘手的争论。“将高通量合成与新一代测序相结合，使得我们能够解答从前无法梳理分析的大型复杂问题，”Church说。

 

Wyss 研究所创立人及主任Don Ingber 博士说：“这些关于密码子利用的研究发现有可能帮助科学家已从所未有的精确性操控细菌，它们还为大大提高微生物生产效率提供了一条途径，有可能具有极大的商业价值。并且它们还强调了George领导的合成生物学平台生成的新自动化技术难以置信的重要价值，使得我们能够比以往更迅速地合成和分析基因。”