2014年5月27日

地球生命體再進化的可能性:從創造遺傳訊息新「字母」說起

作者/林翰佐(任教銘傳大學生物科技學系)

在我們這些五、六年級生成長的過程,正好經歷了電腦科技的發展歷程;從國中時期使用的,由中華商場自製的「蘋果電腦」,到IBM的PC,然後使用DOS作業系統、windows 95,一直到現在的win8系列。我們見證的,其實是一部由8位元、16位元、32位元乃至於現今64位元處理器所串連而成的一個電腦進化過程。有電腦基礎的孩子們大概都知道,電腦的語言其實就是0與1訊號的組成,而高階語言中為「人類熟悉的符號」(例如我現在正在電腦上打的這些字),其實就是由一連串0 與1 數字組合所代表。在電腦世界當中,每一個0 或1 的數字稱為一個字元(bite),而構成一個人類熟悉的符號,所需要的一串字元稱為位元組(byte,或稱為「字節」)。不管是那一個「人類熟悉的符號」,位元組的長度必須一定,不然電腦會弄不清楚長串的字元,從哪裡到哪裡代表一個「人類熟悉的符號」。以現今的電腦而言,西歐語系的字母一般以8位元的位元組為主,這樣的位元組系統中存在著256種可能(每一位元中0與1之2種可能的8次方),已經足以表達西歐語系中存在的字母以及相關的符號。就電腦而言,中國的圖像文字系統,在表達上比西歐的拼音系統來的複雜,所以用16位元的雙位元組來代表,16位元組具有65536種可能性(256×256),亦已足可滿足像中、日、韓等符號文字國度上的需求。

在文章的一開始,我就賣弄著來自遙遠大學時期,藉由修習「計算機概論」課程所獲得的淺薄知識,其實是有目的的。在分子生物學家的眼中,遺傳訊息也如同電腦的機械語言一般,利用有限的「元素」所組成的字串,來代表特定,更為複雜的分子元素。

讓我們來看看兩者之間有著怎麼樣的雷同!首先,遺傳訊息由核苷酸(nucleotide)所組成,在基因當中,核苷酸的長度常常以nt(nucleotide)或者是bp(鹼基對,base pairs)來代表,這nt或bp,與電腦機械語言當中的「字元」是相當的。

生物的遺傳訊息主要是記錄每一個蛋白質合成時獨特的胺基酸排序,而胺基酸序列與核苷酸序列之間有一個對應法則;核苷酸以3個為一單位,用以表示一種胺基酸,而成為一個密碼子(codon)。密碼子,其實與電腦機械語言當中的「位元組」也是相當的,因為兩者都想用簡單元素構成之固定長度的字串,來代表較為複雜的,高階的另外一種元素。在電腦的世界中,這個「複雜的元素」可能是「人類熟悉的符號」,而在生物的世界中,這個「複雜的元素」則是胺基酸。

不過,電腦世界中的機械語言與生命世界裡的遺傳訊息,兩者仍然有些不同之處。首先,電腦的語言中,只有0與1的兩種簡單的元素所組成,但在生命的世界裡,遺傳訊息則是由核苷酸上的腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)或胸腺嘧啶(T)等四種鹼基(base)的變化所代表,所以即便是生命訊息當中的密碼子僅由3 個核苷酸所構成,但卻具有64種變化的可能(4×4×4 = 64),足以表達人類生理代謝上所使用的20 種胺基酸而仍游刃有餘。

在電腦的世界當中,更動運算時存取單元的位元數是增進運算效能的一種方式,當電腦能一次能夠用32位元、64位元的方式進行資料處理時,自然會比古老的16位元、8位元電腦快上許多(你可以想像,大口大口的扒飯,自然會比小口小口的吃飯,在速度上快上許多)。所以隨著運算規格的演進,人類的電腦科技,在運算效能的提升上有長足的進步,現在孩子們人手一台的智慧型手機,運算的效能都比當年美國航太總署中將人類送上月球所使用的電腦系統要強上許多。

在生命的世界裡,我們有沒有可能,透過某種「升級」的方式,來增進我們基因體(genome)所記載的訊息量呢?

這也許是一個瘋狂的想法,不過,且讓我們來想想會有怎樣的可能性。

在生命體當中,基因訊息與胺基酸序列之間的轉換,主要發生在信使RNA(messenger RNA)轉譯(translation)的階段,這需要由核醣體(ribosome)中以3個核苷酸為一單位的「空間」規劃(例如核醣體中的A位、P位等)以及轉譯RNA(transfer RNA, tRNA)上互補密碼子(anticodon)的辨認(圖一)。如果說想要如同電腦更動規格一般,藉由改變密碼子的長度來增加遺傳訊息所能表達之豐富性的話,除了要更動參與整個轉錄機轉中蛋白質以及RNA 的「規格」之外,對於基因當中所記載的資料也必須重新的編寫,使其資料能夠符合新的讀取規格。前述的這些工作,無疑是「重新建構」一種截然不同的新生命,工程的浩大,我想這並不是目前的人類所能解決的問題。......【更詳細的內容,請參閱第534期科學月刊】
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轉錄作用(transcription)
指基因活動時將遺傳訊息抄錄成為信使RNA 的過程。

轉譯作用(translation)
指信使RNA移動到細胞質中,將其上的遺傳訊息轉變成為蛋白質的過程。轉譯作用需要依靠核醣體提供環境,並需要轉譯RNA的媒介,依照其上互補密碼子的配對,將正確對應的胺基酸串起來。
圖一:真核生物中轉錄作用以及轉譯作用。(作者提供)

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