Kvantefektid aitavad muuta DNA ebastabiilseks

Kvantefektid mängivad seni ootamatut rolli ebastabiilsuse tekitamisel DNA-s – nn elumolekulis, mis annab juhiseid rakuliste protsesside jaoks kõigis elusorganismides. See järeldus, mis põhineb Ühendkuningriigi Surrey ülikooli teadlaste tööl, on vastuolus pikaajaliste veendumustega, et kvantkäitumine ei ole oluline rakkude märjas ja soojas keskkonnas ning sellel võib olla kaugeleulatuvad tagajärjed geneetiliste mutatsioonide mudelitele. .

DNA kuulsa kaksikheeliksi kaks ahelat on omavahel seotud sidemetega, mis moodustuvad vesinikuaatomite (prootonite) vahel neljas aluses – guaniin (G), tsütosiin (C), adeniin (A) ja tümiin (T) – millest igaüks koosneb. tegevussuund. Tavaliselt seostub A alati T-ga ja C alati G-ga. Kui aga ahelate vahelise sidepinna kuju nii vähe muutub, võivad valed alused seostuda, moodustades DNA nn tautomeerse vormi, mis võib viia stabiilsete geneetiliste mutatsioonide või isegi vähi tekkeks.

Seda mõju ennustati juba 1952. aastal, kui James Watson ja Francis Crick kasutasid Rosalind Franklini ja Maurice Wilkinsi tööd DNA spiraalse struktuuri avastamiseks. Kuid alles nüüd on see DNA sideme modifitseerimisprotsess täpselt kvantifitseeritud ja selle kvantelementi mõistetud.

Prootonite ülekanne mööda DNA vesiniksidemeid

Oma töös Louie Slocombe, Marco Sacchi, Jim Al-Khalili ja kolleegid kasutasid keerukaid arvutimudeleid, et näidata, et DNA sideme modifitseerimine tuleneb prootonite võimest liikuda mööda GC aluste vahel tekkivaid vesiniksidemeid. Kui prootonid hüppavad DNA ahela ühelt küljelt teisele, tekib ebakõla, kui üks neist hüppamisest toimub vahetult enne DNA ahela lõhustumist või "lahtitõmbumist", mis on osa protsessist, mille käigus see ise kopeerib.

Et teha kindlaks, mis paneb prootonid mööda DNA ahelaid hüppama, kasutasid teadlased avatud kvantsüsteemide lähenemisviisi. Nad avastasid, et selle asemel, et mööda ahelaid hüpata, liiguvad prootonid nende kaudu kvanttunnelisse. Samuti leidsid nad, et tunnelimise kiirus on nii kiire, et süsteem saavutab kiiresti termilise tasakaalu, mis tähendab, et tautomeeride populatsioon jääb bioloogiliste ajavahemike jooksul konstantseks.

Kvantefektid on olulised

Seni arvati, et igasugune selline kvantkäitumine peaks rakkude sees valitsevates mürarikastes tingimustes kiiresti kaduma ja ei mängi seega mingit füsioloogilist rolli. Slocombe aga selgitab, et DNA-süsteem on vesiniksideme paigutuse suhtes nii tundlik, et kvantefektid on olulised. Tõepoolest, isegi paari vesinikuaatomi väike ümberpaigutamine võib mõjutada DNA replikatsiooni makroskoopilisel skaalal.

"Teema on põnev uurida, kuna see hõlmab erinevatest teadusvaldkondadest pärit tehnikate ja ideede kombinatsiooni," räägib Slocombe. Füüsika maailm. "Tavaliselt ei ole need ühtsed ja süsteemi täpseks modelleerimiseks nõuame, et need nii oleksid. Süsteemide modelleerimiseks vajame teadmisi nii keemiast kui ka füüsikast ning lisaks peame teadma bioloogiat, DNA paljunemist ja selle mittevastavuse tagajärgi.

Teadlased, kes teatavad oma tööst aastal Nature Communicationsavaldavad lootust, et nende uuring sellel teemal on paljudest esimene. "Mis meid kõige rohkem huvitab, " lisab Slocombe, "on see, mis toimub DNA lõhustumise täpsel hetkel ja kuidas selle interaktsiooni ajakava on koostoimes vesiniku ülekande kiire ajakavaga."

Muud küsimused hõlmavad seda, kas ATGC aluste kasutamine alternatiivsete DNA vormide asemel annab evolutsioonilist kasu, kuna esimesed on suhteliselt ebastabiilsed. Teine küsimus on see, kas see ebastabiilsus viib mutatsioonini, käivitades seega evolutsiooniprotsessi. "Oleks huvitav mõista, kas on olemas DNA parandamise teid, mis on spetsiaalselt loodud seda tüüpi vigade tuvastamiseks, " järeldab Slocombe.

Postitus Kvantefektid aitavad muuta DNA ebastabiilseks ilmus esmalt Füüsika maailm.

• Münditark. Euroopa parim Bitcoini ja krüptobörs.
• Platoblockchain. Web3 metaversiooni intelligentsus. Täiustatud teadmised. TASUTA PÄÄS.
• CryptoHawk. Altcoini radar. Tasuta prooviversioon.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/quantum-effects-help-make-dna-unstable/