Los efectos cuánticos ayudan a que el ADN sea inestable

Sello de tiempo: 14 de junio de 2022 12:40 p.m.
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Los efectos cuánticos juegan un papel hasta ahora inesperado en la creación de inestabilidades en el ADN, la llamada "molécula de la vida" que proporciona instrucciones para los procesos celulares en todos los organismos vivos. Esta conclusión, basada en el trabajo de investigadores de la Universidad de Surrey en el Reino Unido, va en contra de la creencia arraigada de que el comportamiento cuántico no es relevante en el ambiente cálido y húmedo de las células, y podría tener consecuencias de gran alcance para los modelos de mutación genética. .

Las dos hebras de la famosa doble hélice del ADN están unidas por enlaces que se forman entre los átomos de hidrógeno (protones) en las cuatro bases: guanina (G), citosina (C), adenina (A) y timina (T), que forman cada una. hebra. Normalmente, A siempre se une a T y C siempre se une a G. Sin embargo, si la forma de la superficie de unión entre las hebras cambia muy levemente, las bases incorrectas pueden unirse, formando una forma llamada tautomérica de ADN que puede conducir a mutaciones genéticas estables o incluso al cáncer.

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Este efecto se predijo en 1952, cuando James Watson y Francis Crick se basaron en el trabajo de Rosalind Franklin y Maurice Wilkins para descubrir la estructura helicoidal del ADN. Sin embargo, solo ahora se ha cuantificado con precisión este proceso de modificación de enlaces de ADN y se ha comprendido su elemento cuántico.

Transferencia de protones a lo largo de los enlaces de hidrógeno del ADN

En su trabajo, louie slocombe, Marco Sacchi, Jim Al Khalili y sus colegas usaron modelos informáticos sofisticados para demostrar que la modificación de los enlaces del ADN proviene de la capacidad de los protones para transferirse a lo largo de los enlaces de hidrógeno que se forman entre las bases del GC. A medida que los protones saltan de un lado a otro de la hebra de ADN, se produce un desajuste si uno de estos saltos se produce justo antes de que la hebra de ADN se rompa o se "descomprima", como parte del proceso al que se somete para copiarse a sí misma.

Para precisar qué hace que los protones salten a lo largo de las hebras de ADN, los investigadores utilizaron un enfoque de sistemas cuánticos abiertos. Descubrieron que, en lugar de saltar a lo largo de los hilos, los protones son, de hecho, túneles cuánticos a través de ellos. También descubrieron que la tasa de formación de túneles es tan rápida que el sistema alcanza rápidamente el equilibrio térmico, lo que significa que la población de tautómeros permanece constante a lo largo de escalas de tiempo biológicas.

tunelización de doble protón
Representación esquemática de la hipótesis de Löwdin de mutagénesis espontánea. Un proceso de tunelización de doble protón convierte pares de bases canónicos en tautoméricos. (Cortesía: L Slocombe)

Los efectos cuánticos sí importan

Hasta ahora, se pensaba que cualquier comportamiento cuántico de este tipo debería desaparecer rápidamente en las condiciones ruidosas que prevalecen dentro de las células y, por lo tanto, no desempeñaría ningún papel fisiológico. Sin embargo, Slocombe explica que el sistema de ADN es tan sensible a la disposición de los enlaces de hidrógeno que los efectos cuánticos sí importan. De hecho, incluso el pequeño reordenamiento de un par de átomos de hidrógeno puede afectar la forma en que el ADN se replica a escala macroscópica.

“Es interesante estudiar el tema, ya que involucra la combinación de técnicas e ideas de diferentes campos de la ciencia”, dice Slocombe. Mundo de la física. “Por lo general, estos no son congruentes y requerimos que lo sean para modelar el sistema con precisión. Requerimos conocimientos tanto de química como de física para modelar los sistemas y, además, necesitamos saber sobre biología, cómo se replica el ADN y las implicaciones cuando no coinciden”.

Los investigadores, que informan sobre su trabajo en Nature Communications, expresa la esperanza de que su estudio “sea el primero de muchos” sobre este tema. "Lo que más nos interesa", agrega Slocombe, "es lo que sucede en el momento exacto de la escisión del ADN y cómo la escala de tiempo de esta interacción interactúa con la rápida escala de tiempo de la transferencia de hidrógeno".

Otras preguntas incluyen si el uso de bases ATGC en lugar de formas alternativas de ADN confiere algún beneficio evolutivo, ya que las primeras son relativamente inestables. Otra es si esta inestabilidad conduce a la mutación, impulsando así el proceso de evolución. “Sería interesante entender si existen vías de reparación del ADN específicamente diseñadas para detectar este tipo de errores”, concluye Slocombe.

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