Квантовата механика може да обясни защо ДНК може спонтанно да мутира


ДНК

3D-модел на ДНК. Кредит: Michael Ströck/Wikimedia/ GNU Free Documentation License

Молекулите на живота, ДНК, се възпроизвеждат с удивителна прецизност, но този процес не е имунизиран срещу грешки и може да доведе до мутации. Използвайки сложно компютърно моделиране, екип от физици и химици от университета в Съри показа, че подобни грешки при копирането могат да възникнат поради странните правила на квантовия свят.

Двете нишки на известната двойна спирала на ДНК са свързани помежду си чрез субатомни частици наречени протони – ядрата на атомите на водорода – които осигуряват лепилото, което свързва молекулите, наречени бази, заедно. Тези т.нар водородни връзки са като стъпалата на усукана стълба, която изгражда двойна спирала структура, открита през 1952 г. от Джеймс Уотсън и Франсис Крик въз основа на работата на Розалинд Франклин и Морис Уилкинс.

Обикновено тези ДНК бази (наречени A, C, T и G) следват строги правила за това как се свързват заедно: A винаги се свързва с T и C винаги с G. Това стриктно сдвояване се определя от формата на молекулите, като ги напасва заедно като парчета в прободен трион, но ако природата на водородните връзки се промени леко, това може да доведе до разпадане на правилото за сдвояване, което води до свързване на грешни бази и следователно до мутация. Въпреки че е предвидено от Крик и Уотсън, едва сега сложното изчислително моделиране е в състояние да определи количествено процеса точно.

Екипът, част от изследователската програма на Съри във вълнуващата нова област на квантовата биология, показа, че тази модификация на връзките между нишките на ДНК е много по-разпространена, отколкото се смяташе досега. Протоните могат лесно да скочат от обичайното си място от едната страна на енергийната бариера, за да кацнат от другата страна. Ако това се случи точно преди двете вериги да бъдат разкопчани в първата стъпка от процеса на копиране, тогава грешката може да премине през репликационната машина в клетката, което води до това, което се нарича несъответствие на ДНК и, потенциално, мутация.

В статия, публикувана тази седмица в списанието Физика на комуникациите, екипът на Съри, базиран в Докторския център за обучение по квантова биология на Leverhulme, използва подход, наречен отворени квантови системи, за да определи физическите механизми, които могат да накарат протоните да прескачат между нишките на ДНК. Но най-интригуващото е, че благодарение на добре познат, но почти магически квантов механизъм, наречен тунелиране – подобно на фантом, преминаващ през здрава стена, те успяват да преминат.

Преди се е смятало, че такова квантово поведение не може да се случи в топла, влажна и сложна среда на жива клетка. Въпреки това, австрийският физик Ервин Шрьодингер е предложил в книгата си от 1944 г. “Какво е животът?” че квантовата механика може да играе роля в живите системи, тъй като те се държат доста различно от неживата материя. Тази последна работа изглежда потвърждава теорията на Шрьодингер.

В своето изследване авторите установяват, че локалната клетъчна среда кара протоните, които се държат като разпръснати вълни, да бъдат термично активирани и насърчени през енергийната бариера. Всъщност е установено, че протоните непрекъснато и много бързо тунелират напред-назад между двете нишки. След това, когато ДНК се разцепи на отделни вериги, някои от протоните се улавят от грешната страна, което води до грешка.

Д-р Луи Слокомб, който извърши тези изчисления по време на своята докторска степен, обяснява, че: „Протоните в ДНК могат да тунелират по протежение на водородните връзки в ДНК и да модифицират базите, които кодират генетичната информация. Модифицираните бази се наричат ​​„тавтомери ” и може да оцелее в процесите на разцепване и репликация на ДНК, причинявайки “транскрипционни грешки” или мутации.”

Работата на д-р Слокомб в Докторския център за обучение по квантова биология в Левърхълм в Съри беше ръководена от проф. Джим Ал-Халили (физика, Съри) и д-р Марко Саки (химия, Съри).

Проф. Ал-Халили коментира: “Уотсън и Крик спекулираха за съществуването и значението на квантовомеханичните ефекти в ДНК преди повече от 50 години, но механизмът до голяма степен беше пренебрегнат.”

Д-р Саки продължава: „Биолозите обикновено очакват тунелирането да играе значителна роля само при ниски температури и в относително прости системи. Следователно те са склонни да отхвърлят квантовите ефекти в ДНК. С нашето проучване ние вярваме, че сме доказали, че тези предположения правят не дръжте.”


Ново проучване разкрива, че квантовата физика може да причини мутации в нашата ДНК


Повече информация:
Подход на отворени квантови системи за тунелиране на протони в ДНК, Физика на комуникациите (2022 г.). DOI: 10.1038/s42005-022-00881-8 , www.nature.com/articles/s42005-022-00881-8

Предоставена от
Университет в Съри


Цитат: Квантовата механика може да обясни защо ДНК може спонтанно да мутира (2022 г., 5 май), извлечено на 5 май 2022 г. от https://phys.org/news/2022-05-quantum-mechanics-dna-spontaneously-mutate.html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяка честна сделка с цел частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писменото разрешение. Съдържанието е предоставено само за информационни цели.