Et hverdagslig sekvenseringseksperiment med en mikroskopisk organisme fra en ferskvannsdam har ført til et uventet funn om en av livets mest grunnleggende mekanismer. Forskerne oppdaget at det hittil ubeskrevne protistdyret Oligohymenophorea sp. PL0344 tolker DNA-instruksjonene på en måte som ikke tidligere var dokumentert.

I organismens genom hadde to signaler som vanligvis ber cellen avslutte produksjonen av et protein, fått en helt annen betydning. Enda mer oppsiktsvekkende var det at signalene var omfordelt til å kode for to ulike aminosyrer, selv om forskere lenge har antatt at utviklingen av disse signalene er tett koblet.

Oppdagelsen ble publisert i tidsskriftet PLOS Genetics i oktober 2023. Senere undersøkelser av beslektede mikroorganismer har avdekket flere varianter av den genetiske koden, noe som tyder på at den mikroskopiske verdenen fortsatt kan skjule mange ukjente unntak.

Et funn som oppsto ved en tilfeldighet

Oppdagelsen ble gjort av Jamie McGowan, som på det tidspunktet var postdoktor ved Earlham Institute. Han undersøkte et protist som var samlet inn fra en dam i Oxford University Parks i Oxford i England.

Det opprinnelige prosjektet handlet ikke om hvordan den genetiske koden utvikler seg. Forskerne testet en metode for DNA-sekvensering som gjør det mulig å analysere svært små mengder genetisk materiale – potensielt materiale fra bare én celle. McGowan samarbeidet med forskere ved Earlham Institute og en gruppe ledet av Thomas Richards ved Universitetet i Oxford.

Målet var å forbedre verktøyene for å studere organismer som er vanskelige å dyrke og undersøke i laboratoriet. Da forskerne satte sammen og kontrollerte organismens genom, oppdaget de imidlertid noe uventet: Protisten tilhørte en art som ikke tidligere var identifisert, og de genetiske instruksjonene så ut til å følge uvanlige regler.

En mangfoldig gruppe mikroorganismer

Protister er blant de mest mangfoldige og minst forståtte gruppene av organismer på jorden. Mange består av bare én celle og er for små til å sees uten mikroskop. Amøber, ulike alger og kiselalger er kjente eksempler. De finnes ofte i vannmiljøer.

Ikke alle protister er likevel små. Den brede gruppen omfatter også brunalger, slimsopp og rødalger, hvor enkelte kan vokse til store og komplekse strukturer. Gruppen er så mangfoldig at forskere i stor grad definerer protister ved å skille dem fra de andre hovedgruppene av liv.

Protister er eukaryoter, altså organismer med cellekjerne – et spesialisert rom der det meste av arvestoffet er lagret. Mennesker, andre dyr, planter og sopp er også eukaryoter.

Organismen i sentrum for oppdagelsen tilhører gruppen ciliater. De beveger seg vanligvis ved hjelp av små, hårlignende strukturer kalt cilier, som beveger seg koordinert og driver organismene gjennom vannet.

Ciliater finnes både i ferskvann og i havet. For genetikere er de særlig interessante fordi enkelte arter gjennom evolusjonen har utviklet uvanlige måter å tolke DNA-instruksjoner på.

Slik fungerer den genetiske koden

For å forstå hvorfor funnet er så uventet, må man se på hvordan celler gjør genetisk informasjon om til proteiner.

DNA fungerer omtrent som en instruksjonsbok. Der lagres informasjonen cellene trenger for å bygge og vedlikeholde strukturer. Instruksjonene må imidlertid først oversettes til fysiske molekyler før de kan utføre biologiske funksjoner.

Prosessen begynner med at en del av DNA-et kopieres til et budbringer-RNA-molekyl, også kalt mRNA. Dette molekylet frakter de genetiske instruksjonene til cellens proteinfabrikk.

Der leser en struktur kalt ribosomet RNA-sekvensen i grupper på tre «bokstaver». Hver gruppe kalles et kodon, og de fleste kodoner viser til én av aminosyrene – byggesteinene i proteiner.

Når aminosyrer kobles sammen, dannes en kjede som kan foldes til en tredimensjonal struktur. Det ferdige proteinet kan fungere som et enzym, gi strukturell støtte, frakte molekyler eller utføre en rekke andre oppgaver i cellen.

I DNA-skrift begynner en proteinkodende sekvens vanligvis med startkodonet ATG og avsluttes med et stoppkodon – vanligvis TAA, TAG eller TGA.

To stoppkodoner fikk ny betydning

Stoppkodoner fungerer som tegnsetting. De forteller ribosomet at instruksjonene for det aktuelle proteinet er ferdige, og at den ferdige kjeden skal frigjøres. Når instruksjonene skrives om til RNA, erstattes bokstaven T av U. De tilsvarende stoppkodonene i RNA er derfor UAA, UAG og UGA.

Hos de fleste livsformer har disse signalene beholdt de samme hovedfunksjonene gjennom en svært lang evolusjonshistorie. Forskere har likevel kjent til i flere tiår at enkelte organismer bruker modifiserte versjoner av den genetiske koden. Slike varianter er sjeldne, men ciliatene har særlig mange eksempler.

Hos enkelte ciliater har stoppkodoner gjennom evolusjonen begynt å vise til aminosyrer i stedet for å avslutte proteinproduksjonen. Inntil nylig så det likevel ut til at én regel nesten alltid holdt: De to vanlige stoppkodonene TAA og TAG beholdt som regel samme betydning. Når funksjonen deres endret seg, begynte begge vanligvis å kode for den samme aminosyren.

Dette tydet på at de to signalene måtte utvikle seg sammen.

Genomet til Oligohymenophorea sp. PL0344 viste et annet bilde. TAA og TAG fungerte ikke lenger som stoppsignaler, men kodet for to helt forskjellige aminosyrer. TAA viste til lysin, mens TAG viste til glutaminsyre.

Begge aminosyrene er vanlige bestanddeler i proteiner, men de har ulike kjemiske egenskaper og biologiske roller. TGA var samtidig organismens eneste vanlige stoppkodon.

Dette var det første rapporterte eksempelet på en genetisk kode der TAA og TAG var omfordelt til å kode for to ulike aminosyrer. Funnets betydning ligger i at det viser at utviklingen av disse kodonene ikke er så strengt knyttet sammen som forskere tidligere har trodd.

RNA-gener bekreftet at funnet var ekte

Videre undersøkelser ga forskerne hint om hvordan protisten kan fungere med disse uvanlige instruksjonene. De identifiserte spesialiserte gener for overførings-RNA, eller tRNA, som var knyttet til de omfordelte kodonene.

tRNA-molekyler fungerer som tolker under proteinproduksjonen. De hjelper til med å koble instruksjonene i mRNA-et til de riktige aminosyrene. Tilstedeværelsen av disse genene bekreftet at den uvanlige genetiske koden er en reell egenskap ved organismen, og ikke en feil i sekvenseringen.

Forskerne fant også uventet mange TGA-stoppkodoner i DNA-regioner som lå rett etter proteinkodende sekvenser.

Disse ekstra stoppsignalene kan fungere som et reservesystem. Hvis ribosomet ved en feil fortsetter å lese informasjon etter det planlagte sluttpunktet for et protein, kan et nytt stoppkodon hindre at proteinet blir unødvendig langt. En slik beskyttelse kan være særlig nyttig for en organisme som bare bruker ett av de tre vanlige stoppkodonene.

Forskerne kunne ikke fastslå nøyaktig hvordan den uvanlige koden oppsto gjennom evolusjonen. Funnene viste likevel at mekanismen som oversetter genetisk informasjon til proteiner, kan være langt mer tilpasningsdyktig enn tidligere antatt.

Flere uvanlige koder i andre ciliater

Det første funnet reiste et bredere spørsmål: Hvor mange andre mikroorganismer bruker genetiske koder forskerne ennå ikke har gjenkjent?

I desember 2024 publiserte McGowan og kollegene hans nye resultater i PLOS Genetics. Studien viste at uvanlige endringer i den genetiske koden hadde oppstått uavhengig av hverandre i flere andre linjer av ciliater.

Forskerne undersøkte gruppen Phyllopharyngea, blant annet ved hjelp av genetiske data fra det internasjonale TARA Oceans-prosjektet. Prosjektet har som mål å studere livet i havet og dets genetiske mangfold.

Analysen identifiserte tre tidligere udyrkede arter av ciliater der UAG – et vanlig stoppkodon – så ut til å kode for leucin. Organismene var hentet fra prøver knyttet til Arktis og Sørishavet.

Forskerne undersøkte også eksisterende genomdatabaser. Der identifiserte de ytterligere to ciliater, Hartmannula sinica og Trochilia petrani, der UAG så ut til å kode for glutamin.

Evolusjonære sammenligninger tydet på at disse endringene hadde oppstått uavhengig minst tre ganger.

De genetiske kodene var ikke identiske med den uvanlige løsningen hos Oligohymenophorea sp. PL0344. I de fem ciliatene som ble analysert i 2024-studien, beholdt UAA funksjonen som stoppsignal, mens UAG hadde fått en annen betydning.

Resultatene ga likevel flere bevis for at de to genetiske signalene ikke nødvendigvis må utvikle seg sammen. Det første funnet fremsto dermed ikke som et isolert særtilfelle, men som et innblikk i et bredere mønster av fleksibilitet i den genetiske koden hos ciliater.

Individuelle celler avslører skjult mangfold

Studier av den uvanlige biologien hos mikroskopiske organismer har fortsatt også utenfor forskningen på genetiske koder.

I mars 2026 rapporterte forskere ved Earlham Institute og Universitetet i Oxford om et annet funn som ble muliggjort av sekvenseringsmetoder for enkeltceller. Studien ble publisert i tidsskriftet Microbial Genomics og undersøkte Bodo, en gruppe protister som finnes i ferskvann, brakkvann og jord.

Ved å analysere bare sju udyrkede celler identifiserte forskerne tre evolusjonære linjer som ikke tidligere var kjent. Hver av dem var knyttet til sin egen bakteriepartner, som levde inne i organismen.

Dette arbeidet viste ikke de samme endringene i den genetiske koden som ble funnet hos PL0344. Det viste i stedet hvor mye biologisk mangfold som kan forbli skjult når forskere først og fremst baserer seg på organismer som er enkle å dyrke i laboratoriet.

Sammen med funnene om genetisk kode viser resultatene verdien av å undersøke mikroorganismer som hittil har fått relativt lite vitenskapelig oppmerksomhet. Bedre sekvenseringsteknologi kan avdekke flere uvanlige genetiske koder, uventede forhold mellom organismer og hittil ukjente måter celler fungerer på.

Kan få betydning for syntetisk biologi

For forskere er uvanlige genetiske koder mer enn biologiske kuriositeter. De gjør det mulig å undersøke hvorfor den genetiske koden er så konsekvent hos de fleste livsformer, og hvordan evolusjonære endringer noen ganger kan omforme de grunnleggende instruksjonene.

Kunnskap om slike naturlige variasjoner kan også bli nyttig i syntetisk biologi. Der forsøker forskere å endre genetiske koder slik at celler får nye egenskaper eller kan produsere proteiner med uvanlige egenskaper.

De evolusjonære kreftene som har formet det store mangfoldet av genetiske koder hos ciliater, er likevel fortsatt ikke fullt ut forstått.

Det som begynte som et vanlig sekvenseringseksperiment, viste dermed at selv noen av biologiens mest kjente regler har betydelige unntak.