Kvantemekanik kunne forklare, hvorfor DNA spontant kan mutere

Livets molekyler, DNA, replikerer med forbløffende præcision, men denne proces er ikke immun over for fejl og kan føre til mutationer. Ved hjælp af sofistikeret computermodellering har et team af fysikere og kemikere ved University of Surrey vist, at sådanne fejl i kopiering kan opstå på grund af kvanteverdenens mærkelige regler.

De to strenge i den berømte DNA-dobbelthelix er forbundet med subatomære partikler kaldet protoner - kernerne af brintatomer - som giver den lim, der binder molekyler kaldet baser sammen. Disse såkaldte hydrogenbindinger er som trinene på en snoet stige, der udgør den dobbelte helixstruktur, der blev opdaget i 1952 af James Watson og Francis Crick baseret på arbejdet af Rosalind Franklin og Maurice Wilkins.

Normalt følger disse DNA-baser (kaldet A, C, T og G) strenge regler for, hvordan de binder sammen:A binder altid til T og C altid til G. Denne strenge parring bestemmes af molekylernes form, der passer dem sammen som f.eks. stykker i en stiksav, men hvis arten af ​​brintbindingerne ændrer sig lidt, kan dette få parringsreglen til at bryde ned, hvilket fører til, at de forkerte baser bliver forbundet og dermed en mutation. Selvom det er forudsagt af Crick og Watson, er det først nu, at sofistikeret beregningsmodellering har været i stand til at kvantificere processen nøjagtigt.

Holdet, som er en del af Surreys forskningsprogram inden for det spændende nye felt inden for kvantebiologi, har vist, at denne modifikation i bindingerne mellem DNA-strengene er langt mere udbredt, end man hidtil har troet. Protonerne kan nemt hoppe fra deres sædvanlige sted på den ene side af en energibarriere for at lande på den anden side. Hvis dette sker lige før de to strenge pakkes ud i det første trin af kopieringsprocessen, så kan fejlen passere gennem replikationsmaskineriet i cellen, hvilket fører til det, der kaldes en DNA-mismatch og potentielt en mutation.

I et papir offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Communications Physics , brugte Surrey-teamet baseret i Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Center en tilgang kaldet åbne kvantesystemer til at bestemme de fysiske mekanismer, der kan få protonerne til at springe over mellem DNA-strengene. Men det mest spændende er, at det er takket være en velkendt, men næsten magisk kvantemekanisme kaldet tunneling - beslægtet med et fantom, der passerer gennem en solid mur - at de formår at komme over.

Man havde tidligere troet, at en sådan kvanteadfærd ikke kunne forekomme inde i en levende celles varme, våde og komplekse miljø. Imidlertid havde den østrigske fysiker Erwin Schrödinger foreslået i sin bog fra 1944 "Hvad er liv?" at kvantemekanik kan spille en rolle i levende systemer, da de opfører sig ret anderledes end livløst stof. Dette seneste arbejde ser ud til at bekræfte Schrödingers teori.

I deres undersøgelse fastslår forfatterne, at det lokale cellulære miljø får protonerne, der opfører sig som spredte bølger, til at blive termisk aktiveret og opmuntret gennem energibarrieren. Faktisk viser det sig, at protonerne kontinuerligt og meget hurtigt tunnelerer frem og tilbage mellem de to strenge. Derefter, når DNA'et spaltes i dets separate strenge, fanges nogle af protonerne på den forkerte side, hvilket fører til en fejl.

Dr. Louie Slocombe, som udførte disse beregninger under sin Ph.D., forklarer, at:"Protonerne i DNA'et kan tunnelere langs hydrogenbindingerne i DNA og modificere de baser, som koder for den genetiske information. De modificerede baser kaldes "tautomerer "og kan overleve DNA-spaltnings- og replikationsprocesserne, hvilket forårsager "transkriptionsfejl" eller mutationer."

Dr. Slocombes arbejde på Surrey's Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Center blev overvåget af prof Jim Al-Khalili (fysik, Surrey) og dr. Marco Sacchi (kemi, Surrey).

Prof Al-Khalili kommenterer:"Watson og Crick spekulerede om eksistensen og vigtigheden af ​​kvantemekaniske effekter i DNA for godt 50 år siden, men mekanismen er i vid udstrækning blevet overset."

Dr. Sacchi fortsætter:"Biologer ville typisk forvente, at tunneling kun ville spille en væsentlig rolle ved lave temperaturer og i relativt simple systemer. Derfor havde de en tendens til at udelukke kvanteeffekter i DNA. Med vores undersøgelse mener vi, at vi har bevist, at disse antagelser gør ikke holde." + Udforsk yderligere

En ny undersøgelse afslører, at kvantefysik kan forårsage mutationer i vores DNA