独立行政机构国立产业技术综合研究所[会长野间口裕]（以下简称“AIST”）生物过程研究部[研究部主任镰形阳一]合成生物技术研究组研究组组长宫崎健太郎、首席研究员安武义明、国立大学法人大阪大学信息科学研究生院研究员北原圭（前AIST特别研究员）等被认为是生物物种独有的16S rRNA基因可以用来自不同物种的物质代替。
核糖体是由3种RNA和57种蛋白质组成的超分子复合物，翻译它有一个功能。由于其重要的生理作用和三维结构的复杂性，它被认为是一种极难因进化而改变的分子。特别是核糖体 30S 亚基中包含的16S rRNA是细菌物种特异性基因系统发育分类学的指标这次，大肠杆菌16S rRNA基因缺陷菌株生长互补测试和纲我们证明，来自远缘相关生物的不同水平的 16S rRNA 可以在大肠杆菌中发挥作用。这一结果表明，原本被认为具有物种特异性的16S rRNA基因已经跨物种传播。水平传播这表明这可能是可能的，并对微生物的传统系统发育分类学的基础产生了怀疑。
该结果详细发表于2012年10月30日（日本时间）的美国学术期刊美国国家科学院院刊（美国国家科学院院刊）。
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图1 核糖体30S亚基三维结构
核糖体30S亚基是由16S rRNA（绿色）和21种蛋白质（白色）组成的超分子复合物。 |
核糖体是所有生物中都存在的细胞器，含有核酸代码将遗传信息转化为功能（蛋白质）。负责这些高级生物功能的核糖体具有复杂的三维结构；在细菌中，它们由三种类型的RNA和多达57种类型的蛋白质组成。每个成分密切相互作用，并且人们认为成分中的许多基因突变会导致功能破坏（细胞死亡）。特别是RNA，因其三维结构而占据核糖体的中心，对基因突变高度敏感，人们认为即使是最轻微的基因突变也会导致核糖体功能的破坏。事实上，30S亚基中包含的16S rRNA是一种物种特异性分子，多年来一直被用作微生物系统发育分类学的指标。
AIST 搜寻未知微生物，基因组我在探索和利用微生物功能方面进行了广泛的研究，包括分析、寻找有用的基因以及通过进化分子工程修改基因功能。最近，核糖体突变分析发现大肠杆菌核糖体除了其原有的翻译功能外，还具有抑制核糖核酸酶活性的功能（2011 年 11 月 25 日 AIST 新闻稿）。这一结果也是通过核糖体的详细功能分析获得的。
这项研究得到了文部科学省的科学研究补助金（领域名称：为合成生物学奠定基础，以了解动态和多元素生物分子网络）“通过修改翻译系统创建人工细胞”（2012年），日本学术振兴会这项工作得到了具有挑战性的探索性研究“通过rRNA替换突变研究核糖体可塑性”（2012财年）和日本学术振兴会科学研究补助金（B）“开发用于综合表达宏基因组基因的大肠杆菌宿主”（2011-2011财年）。
AIST初步了解到30S核糖体亚基中包含的16S rRNA被来自外来生物体的16S rRNA取代，这次环境 DNA（宏基因组学）分离的16S rRNA，进行了全面系统的水平传播实验。 （图2）。
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图2 核糖体30S亚基三维结构及16S rRNA基因水平转移实验
我们用大肠杆菌 16S rRNA（绿色）替换了来自不同物种的 16S rRNA（图中的红色和蓝色），以检查是否可以基于功能互补性进行选择。 |
环境 DNA 是环境中所含微生物基因组的混合物，极其多样化。 16S rRNA 基因的末端序列因微生物物种而异同源性是高寡核苷酸引物PCR（聚合酶链式反应）方法放大将以此方式从不同物种获得的16S rRNA基因导入16S rRNA缺陷型大肠杆菌菌株中。 16S rRNA 基因对于生长至关重要，如果导入的 16S rRNA 在大肠杆菌中不起作用，细胞将无法生长。利用这一特性，我们确定了引入的 16S rRNA 的功能。其结果，即使是来自与大肠杆菌的16S rRNA基因在类水平上不同的微生物的16S rRNA基因(序列同源性约80％)，也能够使大肠杆菌生长。扩散加倍时间是野生型的大约35分钟相比，最多也就90分钟左右。
此外，为了研究序列同源性较低的16S rRNA如何整合到复杂核糖体中以及序列差异如何影响结构和功能，我们将获得的序列与大肠杆菌相应部分的各自二级结构进行了比较。作为一个典型的例子，螺旋 21的区域的序列差异和二级结构如图所示（图 3）。已发现，即使碱基序列不同，只要维持二级结构，16S rRNA的功能在许多情况下也能维持，并且即使对于被认为具有物种特异性的16S rRNA，也发现二级结构而不是序列本身对于发挥其功能很重要。
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图 3 大肠杆菌 16S rRNA 的螺旋 21 区域的结构以及源自不同物种且在大肠杆菌中发挥作用的 16S rRNA
大肠杆菌是大肠杆菌的16S rRNA基因。 A01和A02是在大肠杆菌16S rRNA基因缺陷菌株中起作用的异源16S rRNA基因的代表性实例。与大肠杆菌相比，红色部分发生了突变。 |
16S rRNA基因被认为是物种特异性的，这一发现在类水平上与不同物种表现出同源性，这意味着16S rRNA存在充足的变异空间。这对基于 16S rRNA 物种特异性的传统系统发育分类法提出了质疑。尽管迄今为止有少数研究报道了含有多个 16S rRNA 的微生物，这些 16S rRNA 的基因组序列差异很大，但仍有必要重新考虑传统的系统发育分类学。
16S rRNA 的功能互补可以在细菌中跨物种发生，这一事实意味着包含 16S rRNA 的核糖体本身是一个比以前认为的更加可变的分子。这导致核糖体的主动功能修饰。由于核糖体功能的微小差异可以改变细胞内的整体蛋白质表达，因此修饰核糖体功能的方法可能会发展为细胞工程的新方法。