Quanteneffekte tragen dazu bei, die DNA instabil zu machen

Zeitstempel: 14. Juni 2022, 12:40 Uhr
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Quanteneffekte spielen eine bisher unerwartete Rolle bei der Erzeugung von Instabilitäten in der DNA – dem sogenannten „Molekül des Lebens“, das Anweisungen für zelluläre Prozesse in allen lebenden Organismen gibt. Diese Schlussfolgerung, die auf Arbeiten von Forschern der University of Surrey im Vereinigten Königreich basiert, widerspricht der lang gehegten Überzeugung, dass das Quantenverhalten in der feuchten, warmen Umgebung von Zellen nicht relevant ist und weitreichende Konsequenzen für Modelle genetischer Mutationen haben könnte .

Die beiden Stränge der berühmten Doppelhelix der DNA sind durch Bindungen miteinander verbunden, die sich zwischen Wasserstoffatomen (Protonen) in den vier Basen – Guanin (G), Cytosin (C), Adenin (A) und Thymin (T) – bilden, aus denen sie bestehen Strand. Normalerweise bindet A immer an T und C bindet immer an G. Wenn sich jedoch die Form der Bindungsfläche zwischen den Strängen auch nur geringfügig ändert, können die falschen Basen verknüpft werden und eine sogenannte tautomere Form der DNA bilden, die führen kann zu stabilen genetischen Mutationen oder sogar Krebs.

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Dieser Effekt wurde bereits 1952 vorhergesagt, als James Watson und Francis Crick auf Arbeiten von Rosalind Franklin und Maurice Wilkins zurückgriffen, um die spiralförmige Struktur der DNA aufzudecken. Allerdings wurde dieser DNA-Bindungsmodifikationsprozess erst jetzt genau quantifiziert und sein Quantenelement verstanden.

Protonentransfer entlang DNA-Wasserstoffbrückenbindungen

In ihrer Arbeit, Louie Slocombe, Marco Sacchi, Jim Al-Khalili und Kollegen verwendeten ausgeklügelte Computermodelle, um zu zeigen, dass die Modifikation der DNA-Bindung von der Fähigkeit der Protonen herrührt, entlang der Wasserstoffbrücken zu übertragen, die sich zwischen den GC-Basen bilden. Wenn die Protonen von einer Seite des DNA-Strangs zur anderen springen, tritt eine Fehlpaarung auf, wenn einer dieser Sprünge kurz vor der Spaltung oder „Auflösung“ des DNA-Strangs als Teil des Prozesses erfolgt, den er durchläuft, um sich selbst zu kopieren.

Um herauszufinden, was Protonen dazu bringt, entlang von DNA-Strängen zu hüpfen, verwendeten die Forscher einen offenen Quantensystemansatz. Sie entdeckten, dass die Protonen nicht entlang der Stränge hüpfen, sondern tatsächlich durch Quantentunnel durch sie hindurchtunneln. Sie fanden auch heraus, dass die Tunnelgeschwindigkeit so hoch ist, dass das System schnell ein thermisches Gleichgewicht erreicht, was bedeutet, dass die Population von Tautomeren über biologische Zeitskalen konstant bleibt.

doppeltes Protonentunneln
Schematische Darstellung von Löwdins Hypothese der spontanen Mutagenese. Ein doppelter Protonentunnelprozess wandelt kanonische in tautomere Basenpaare um. (Mit freundlicher Genehmigung von L. Slocombe)

Quanteneffekte spielen eine Rolle

Bisher dachte man, dass sich ein solches Quantenverhalten in den lauten Bedingungen, die in Zellen herrschen, schnell auswaschen sollte und daher keine physiologische Rolle spielen würde. Slocombe erklärt jedoch, dass das DNA-System so empfindlich auf die Anordnung der Wasserstoffbrückenbindungen reagiert, dass Quanteneffekte eine Rolle spielen. Tatsächlich kann sogar die winzige Neuanordnung einiger Wasserstoffatome beeinflussen, wie sich die DNA auf makroskopischer Ebene repliziert.

„Das Thema ist spannend zu studieren, da es die Kombination von Techniken und Ideen aus verschiedenen Bereichen der Wissenschaft beinhaltet“, sagt Slocombe Physik-Welt. „Normalerweise sind diese nicht kongruent und wir benötigen sie, um das System genau zu modellieren. Wir benötigen Kenntnisse sowohl in Chemie als auch in Physik, um die Systeme zu modellieren, und außerdem müssen wir etwas über Biologie wissen, wie sich DNA repliziert und welche Auswirkungen sie hat, wenn sie nicht übereinstimmt.“

Die Forscherinnen und Forscher, die über ihre Arbeit berichten Nature Communications veröffentlicht Sie äußern die Hoffnung, dass ihre Studie „die erste von vielen“ zu diesem Thema ist. „Was uns am meisten interessiert“, fügt Slocombe hinzu, „ist, was genau zum Zeitpunkt der DNA-Spaltung passiert und wie die Zeitskala dieser Wechselwirkung mit der schnellen Zeitskala des Wasserstofftransfers zusammenspielt.“

Andere Fragen beinhalten, ob die Verwendung von ATGC-Basen statt alternativer DNA-Formen einen gewissen evolutionären Vorteil bringt, da erstere relativ instabil sind. Eine andere Frage ist, ob diese Instabilität zu Mutationen führt und damit den Evolutionsprozess vorantreibt. „Es wäre interessant zu verstehen, ob es irgendwelche DNA-Reparaturwege gibt, die speziell dafür entwickelt wurden, diese Art von Fehlern aufzufangen“, schließt Slocombe.

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