Kvanteeffekter hjælper med at gøre DNA ustabilt

Tidsstempel: 14. juni 2022 kl. 12
Kildeknude: 1374601

Kvanteeffekter spiller en hidtil uventet rolle i at skabe ustabilitet i DNA - det såkaldte "livsmolekyle", der giver instruktioner til cellulære processer i alle levende organismer. Denne konklusion, baseret på arbejde fra forskere ved University of Surrey i Storbritannien, går imod langvarig tro på, at kvanteadfærd ikke er relevant i det våde, varme miljø i celler og kan have vidtrækkende konsekvenser for modeller for genetisk mutation .

De to strenge af DNA's berømte dobbelthelix er forbundet med bindinger, der dannes mellem hydrogenatomer (protoner) i de fire baser – guanin (G), cytosin (C), adenin (A) og thymin (T) – der udgør hver streng. Normalt binder A altid til T og C binder altid til G. Men hvis formen på bindingsoverfladen mellem strengene ændrer sig lidt, kan de forkerte baser blive forbundet og danne en såkaldt tautomer form af DNA, der kan føre til til stabile genetiske mutationer eller endda kræft.

googletag.cmd.push (funktion () {googletag.display ('div-gpt-ad-3759129-1');});

Denne effekt blev forudsagt tilbage i 1952, da James Watson og Francis Crick trak på arbejde af Rosalind Franklin og Maurice Wilkins for at afdække DNA's spiralformede struktur. Det er dog først nu, at denne DNA-bindingsmodifikationsproces er blevet nøjagtigt kvantificeret, og dens kvanteelement er blevet forstået.

Protonoverførsel langs DNA-hydrogenbindinger

I deres arbejde, Louie Slocombe, Marco Sacchi, Jim Al Khalili og kolleger brugte sofistikerede computermodeller til at vise, at DNA-bindingsmodifikation stammer fra protonernes evne til at overføre langs de hydrogenbindinger, der dannes mellem GC-baserne. Når protonerne hopper fra den ene side af DNA-strengen til den anden, opstår der en mismatch, hvis en af ​​disse humle sker lige før DNA-strengen spalter eller "lukker sig ud", som en del af den proces, den gennemgår for at kopiere sig selv.

For at finde ud af, hvad der får protoner til at hoppe langs DNA-strenge, brugte forskerne en tilgang med åbne kvantesystemer. De opdagede, at i stedet for at hoppe langs strengene, er protonerne i virkeligheden kvantetunneler gennem dem. De fandt også, at tunneleringshastigheden er så hurtig, at systemet hurtigt når termisk ligevægt, hvilket betyder, at populationen af ​​tautomerer forbliver konstant over biologiske tidsskalaer.

dobbelt proton tunneling
Skematisk fremstilling af Löwdins hypotese om spontan mutagenese. En dobbelt proton tunneling proces konverterer kanoniske til tautomere basepar. (Med høflighed: L Slocombe)

Kvanteeffekter betyder noget

Indtil nu har man troet, at enhver sådan kvanteadfærd skulle udvaskes hurtigt under de støjende forhold, der hersker inde i celler, og dermed ikke ville spille nogen fysiologisk rolle. Slocombe forklarer dog, at DNA-systemet er så følsomt over for hydrogenbindingsarrangementet, at kvanteeffekter har betydning. Faktisk kan selv den lille omlejring af et par brintatomer påvirke, hvordan DNA replikerer på den makroskopiske skala.

"Emnet er spændende at studere, da det involverer kombinationen af ​​teknikker og ideer fra forskellige videnskabsområder," fortæller Slocombe Fysik verden. "Typisk er disse ikke kongruente, og vi kræver, at de er det for at modellere systemet nøjagtigt. Vi kræver viden om både kemi og fysik for at modellere systemerne, og derudover skal vi vide om biologi, hvordan DNA replikerer og implikationerne for, hvornår det ikke matcher."

Forskerne, der rapporterer deres arbejde i Nature Communications, udtrykke håb om, at deres undersøgelse "er den første af mange" om dette emne. "Det, der interesserer os mest," tilføjer Slocombe, "er, hvad der sker på det nøjagtige tidspunkt af DNA-spaltning, og hvordan tidsskalaen for denne interaktion spiller sammen med den hurtige tidsskala for hydrogenoverførslen."

Andre spørgsmål omfatter, om brug af ATGC-baser frem for alternative former for DNA giver en evolutionær fordel, da førstnævnte er relativt ustabile. En anden er, om denne ustabilitet fører til mutation, og dermed driver evolutionsprocessen. "Det ville være interessant at forstå, om der er nogle DNA-reparationsveje, der er specielt designet til at fange disse typer fejl," slutter Slocombe.

Stillingen Kvanteeffekter hjælper med at gøre DNA ustabilt dukkede først på Fysik verden.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden