研究人员让两种遗传密码同时起作用

# 研究人员实现双遗传密码同步运作 来源：https://arstechnica.com/science/2026/08/researchers-get-two-genetic-codes-to-work-at-the-same-time/ 操纵遗传密码似乎变得稍微容易了一些。 遗传密码是地球上所有生命将DNA中的信息转化为特定蛋白质序列的通用规则。尽管存在细微差异，但地球上所有生物都使用基本相同的遗传密码，这意味着该密码在所有生物的最后共同祖先时期就已形成。改变遗传密码并非易事，因为细胞内的无数过程都依赖于它。 然而，科学家已取得一些初步进展：研究人员曾向细菌细胞中添加新氨基酸(https://arstechnica.com/science/2021/06/researchers-rewire-the-genetics-of-e-coli-make-it-virus-proof/)，并成功制造出比通常少一个氨基酸的蛋白质(https://arstechnica.com/science/2026/04/researchers-try-to-cut-the-genetic-code-from-20-to-19-amino-acids/)。但这些工作举步维艰，某些研究甚至需要对细菌基因组中的每一个基因进行重新设计。 如今，研究人员找到一种方法，可同时运行两套独立的遗传密码，从而避免为补偿密码修改而调整细胞内所有蛋白质的工作。虽然该方法尚未在实际细胞中测试，且可能引发一些问题，但其创新性解决方案有望加速合成生物学领域的研究进展。 ## 生物学基础回顾 要理解这项技术，我们需要回顾高中生物课上可能不太注意的内容：基因组中，大部分基因的特定区段负责编码蛋白质。DNA中碱基的线性排列被直接转化为组成蛋白质的氨基酸序列。DNA中每三个碱基对应一种特定氨基酸（仅三种例外，它们作为蛋白质终止信号）。 这种转化并非直接进行：DNA先被复制为信使RNA，随后由核糖体（蛋白质与RNA的复合体）结合信使RNA，逐个氨基酸进行翻译。 翻译过程依赖另一类RNA——转运RNA（tRNA）。尽管tRNA会折叠成复杂结构，但都具有两个关键部分：一端是三个可与信使RNA配对的碱基，与遗传密码的三联体对应；另一端则通过化学键连接对应氨基酸。核糖体确保正确的tRNA通过碱基配对结合，随后将其携带的氨基酸转移到正在合成的蛋白质链中。 该系统的关键环节并未直接参与翻译：负责将tRNA与正确氨基酸化学连接的酶类。这些酶需要同时识别tRNA上的三碱基密码和对应的氨基酸（此过程常称为tRNA“加载”）。 若要全面修改遗传密码，必须协调改变基因序列、tRNA序列和/或tRNA加载酶中的至少一部分因素（唯一无需改变的是核糖体本身），且必须确保修改不影响生物体基因组中的所有基因，或者对全部基因进行补偿性编辑。 显然，这极其困难。通常情况下，无法通过渐进式修改实现目标，否则整个基因组可能产生畸形蛋白质。这一复杂性一直阻碍着人工氨基酸和替代遗传密码的实验探索。 ## 并行方案的提出 本研究由合成生物学家兼连续创业者乔治·丘奇领导的团队完成。他对探索替代遗传密码充满兴趣，但厌倦了传统方法所需的繁琐流程。论文大量篇幅聚焦于开发可简化测试与筛选的自动化系统，若读者对这些技术感兴趣，原论文将提供详尽信息。本文则聚焦其生物学原理。 研究的核心洞见在于：核糖体虽然重要，但其作用方式存在可操作空间。核糖体RNA的部分序列会与tRNA特定区域碱基配对，以确保其识别正确的RNA类型。尽管这在生化层面至关重要，但*实际上*所有tRNA在该区域的序列完全相同，因此该配对机制在自然界中并未承受进化压力。 新论文提出：如果改变这种一致性会怎样？既然已知核糖体与tRNA的精确配对位置，我们可以通过修改其中一方的序列破坏正常配对，再通过修改另一方恢复配对。 理论上，可借此创建两群仅在该微小序列上存在差异的tRNA：其中一群仅能与天然核糖体相互作用，另一群则只能与经过改造（使用修饰RNA）的特定核糖体互作。论文将这一理论转化为实践。 ## 双密码系统的实现 关键问题在于：修改序列后，tRNA能否仍被正确加载氨基酸？这个问题看似简单实则复杂，因从未有相关研究。团队不得不自创检测方法，利用已加载与未加载氨基酸的tRNA在化学反应中的细微差异进行区分。检测过程需要“无细胞翻译系统、机器人技术、下一代测序技术与分析化学”。 结果表明：根据tRNA的具体修改方式，大多数tRNA仍可被加载氨基酸，但效率通常低于正常tRNA。不同序列修改的耐受性存在差异。 获得这些可加载氨基酸的替代tRNA后，研究人员证实它们会被天然核糖体忽略；但若使用具有相应修复性修改的核糖体，则可利用它们正常合成蛋白质。由此，研究人员获得了两群各自兼容特定核糖体的tRNA。 他们设计了另一套遗传密码，使用这些替代tRNA进行实现。随后构建了一条可被两套遗传密码共同翻译的信使RNA——不同密码系统将产生不同蛋白质。最终将两群tRNA、两群核糖体及翻译所需全部化学物质混合。 结果产生了两种不同蛋白质。这表明两群核糖体均结合了同一条信使RNA，但使用了不同的tRNA群体来合成蛋白质。由于两套系统采用不同遗传密码，最终生成的蛋白质自然不同。 这项突破性成果极具应用潜力。传统遗传密码改造之所以困难，是因为细胞内所有蛋白质都依赖它。若能在保持原密码正常运作的同时操纵第二套遗传密码，细胞存活率将显著提高。 需注意的是，该研究仅在从细胞中分离的蛋白质与化学物质混合体系中进行，尚未在实际细胞中测试。在细胞环境中可能存在风险：替代性核糖体可能错误翻译所有接触到的信使RNA，使用错误遗传密码产生大量截短或畸形蛋白质，这些异常蛋白可能干扰细胞正常功能甚至导致死亡。 目前尚未找到显而易见的解决方案。但既然并行遗传密码的概念已被证实，足智多谋的生物学家最终或将找到克服此障碍的方法。 《自然》杂志，2026年。DOI:10.1038/s41586-026-10949-y (http://dx.doi.org/10.1038/s41586-026-10949-y)（关于DOI (http://arstechnica.com/science/news/2010/03/dois-and-their-discontents-1/)）。 约翰·蒂默照片 (https://arstechnica.com/author/john-timmer/) 约翰是Ars Technica科学版编辑，持有哥伦比亚大学生物化学学士学位和加州大学伯克利分校分子与细胞生物学博士学位。远离键盘时，他热衷于骑行或与登山靴共赏风景。 18条评论 (https://arstechnica.com/science/2026/08/researchers-get-two-genetic-codes-to-work-at-the-same-time/#comments) 1. 热门文章首条配图：世界人形机器人运动会展现选手破纪录与起火瞬间 (https://arstechnica.com/ai/2026/08/world-humanoid-robot-games-show-runners-breaking-records-bursting-into-flames/)