氨基酸对应
四种DNA字母要编码20种氨基酸。绝不可能是一对一编码,也不可能是二对一编码,因为两个字母最多只能组成16种组合(4×4)。因此,最低要求是三个字母,也就是DNA序列里面最少要有三个字母对应到一个氨基酸,被称为三联密码,后来被克里克和西德尼·布伦纳证实。
但是这样看起来似乎很浪费,因为用四种字母组成三联密码,总共可以有64种组合(4×4×4),这样应该可以编码64个不同的氨基酸,那为什么只有20种氨基酸呢?一定有一个神奇的答案来解释为什么4种字母,3个一组,拼成64个单词,然后编码20种氨基酸。
1952年,沃森就曾写信告诉克里克:“DNA合成信使RNA(mRNA), mRNA合成蛋白质。”克里克开始研究这一小段mRNA的字母序列,如何翻译成蛋白质里面的氨基酸序列。他认为mRNA可能需要一系列“适配器”来帮助完成翻译,每一个适配器都负责携带一个氨基酸。当然每一个适配器一定也是RNA,而且都带有一段“反密码子”序列,这样才能和mRNA序列上的密码子配对。
适配器分子也由RNA分子组成。它们现在叫作“转运RNA”或tRNA。现在整个工程变得有点像乐高积木,一块块积木接上来又掉下去,一切顺利的话,它们就会这样一个接一个地搭成精彩万分的聚合物。
随着实验技术进步而且越来越精密,在20世纪60年代中期许多实验室陆续解开了序列密码。然而经过一连串不懈的译码工作后,大自然却好像随兴地给了个潦草结尾,让人既困惑又扫兴。遗传密码子的安排一点也不具创意,只不过“简并”了(意思就是说,冗余)。有三种氨基酸可对应六组密码子,其他的则各对应一到两组密码子。每组密码子都有意义,还有三组的意思是“在此停止”,剩下的每一组都对应一个氨基酸。这看起来既没规则也不美,根本就是“美是科学真理的指南”这句话的最佳反证。甚至,我们也找不出任何结构上的原因来解释密码排列,不同的氨基酸与其对应的密码之间似乎并没有任何物理或化学的关联。
克里克称这套让人失望的密码系统为“冻结的偶然”,而大部分人也只能点头同意。他说这个结果是冻结的,因为任何解冻(试图去改变密码对应的氨基酸)都会造成严重的后果。一个点突变也许只会改变几个氨基酸,而改变密码系统本身却会从上到下造成天大灾难。就好似前者只是一本书里无心的笔误,并不会改变整本书的意义,然而后者却将全部的字母转换成毫无意义的乱码。克里克说,密码一旦被刻印在石板上,任何想改动它的企图都会被处以死刑。这个观点至今仍有许多生物学家认同。
证明发酵是由微生物引起的科学家
新华社华盛顿6月18日电(记者周舟)发表在新一期美国《当代生物学》杂志上的一项研究显示,一种酵母菌会像“投硬币”一样随机决定自己的基因表达。
现代生物学认为,生物细胞核中DNA(脱氧核糖核酸)链上的4个碱基A、G、T、C(腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶)能按照固定规律产生氨基酸,如CTG对应着亮氨酸,各种氨基酸序列连接在一起形成蛋白质。根据这种法则,如果知道DNA序列,就可以分析蛋白质序列。
英国巴斯大学和德国马克斯·普朗克生物物理化学研究所研究人员在一组酵母菌中发现,有一种酵母菌会随机将CTG“翻译”为丝氨酸或是亮氨酸。
研究人员发现,这种酵母菌的密码子CTG对应着两种tRNA(转移核糖核酸),一种对应丝氨酸,一种对应亮氨酸。tRNA是遗传密码的“翻译者”,可识别密码子以合成氨基酸。这种酵母菌DNA中的CTG序列被翻译时,会随机选择其中一种转移核糖核酸。
巴斯大学演化遗传学教授劳伦斯·赫斯特表示,随机采用两种不同的DNA翻译机制,这打破了原有的遗传法则;如此一来,就无法从DNA序列推测蛋白质序列。这是科研人员第一次在一个物种中观察到这种情况。
研究人员说,这种选择可能给酵母菌的“命运”带来很大不同,因为亲水的丝氨酸经常存在于蛋白质表面,而疏水的亮氨酸则被隐藏在蛋白质内部。但研究同时发现,这种酵母菌很少使用这一密码子,尤其不用它来构建关键的蛋白质。
研究人员推断,这种随机编码机制可能有上亿年历史,但大多数物种都在进化中放弃了这一机制。这种酵母菌保留此方式的原因尚不清楚,或许在某种罕见情况下,这种随机选择可以带来好处。
一种酵母菌会“投硬币”随机决定基因表达,证明发酵是由微生物引起的科学家
我们找不出任何结构上的原因来解释密码排列,不同的氨基酸与其对应的密码子之间似乎并没有任何物理或化学的关联,克里克称细胞的这套密码系统为“冻结的偶然”。
但是大自然的“偶然”密码系统却给克里克带来一个问题。为什么只有一个偶然?为什么不是好多个偶然?如果这套密码系统是随机产生的,那理论上它不会优于其他密码系统,因此也不会有什么自然选择“瓶颈效应”让这套密码系统胜出。用克里克的话来说就是:“其优势远超其他密码系统,因而独活下来”。但是既然没有选择的瓶颈,那为什么现今没有好几套密码系统,存在于不同的生物体内呢?
答案很明显,那就是地球上所有的生物都是来自同一个共祖,而这套密码系统早在共祖身上就决定好了。更哲学一点的说法就是,生命只在地球上诞生了一次,才使得这套密码系统看上去如此独特、罕见甚至反常。
对于克里克而言,这暗示了一次感染、一次播种。他猜测生命是由某个外星生物,将一个类似细菌的东西播种到地球上。他甚至进一步推测,认为细菌是外星人用宇宙飞船送到地球上的,他称这一理论为“定向泛种论”,并在1981年出版的《生命:起源与本质》里详细阐述了该理论。如同科普作者马特·里德利给克里克写的传记所说:“这个主题让许多人大开眼界。伟大的克里克竟写出外星生命乘坐宇宙飞船在宇宙间播种的故事,他是被成功冲昏头了吗?”
偶然密码系统这样的概念,是否可以证明上述的生命观,取决于个人判断。但这个理论是在说,密码本身并不需要任何优势或劣势来决定能不能突破瓶颈,只需某种偶然情况就可以选择某些特定生命,甚至是某些不可思议的意外,比如小行星撞击地球,就可以毁灭掉所有生命只留下一种,然后就产生了一套唯一的密码系统。