Kvanttivaikutukset auttavat tekemään DNA:sta epävakaa

Aikaleima: 14. kesäkuuta 2022 12
Lähdesolmu: 1374601

Kvanttiefekteillä on tähän asti odottamaton rooli epävakauksien luomisessa DNA:han – niin sanottuun "elämän molekyyliin", joka antaa ohjeita soluprosesseihin kaikissa elävissä organismeissa. Tämä johtopäätös, joka perustuu Yhdistyneen kuningaskunnan Surreyn yliopiston tutkijoiden työhön, on vastoin pitkäaikaisia ​​uskomuksia, joiden mukaan kvanttikäyttäytyminen ei ole merkityksellistä solujen märässä, lämpimässä ympäristössä, ja sillä voi olla kauaskantoisia seurauksia geneettisten mutaatioiden malleissa. .

DNA:n kuuluisan kaksoiskierteen kaksi juostetta on liitetty toisiinsa sidoksilla, jotka muodostuvat vetyatomien (protonien) välille neljässä emäksessä – guaniinissa (G), sytosiinissa (C), adeniinissa (A) ja tymiinissä (T) – jotka muodostavat kunkin emäksen. nauha. Normaalisti A sitoutuu aina T:hen ja C aina G:hen. Jos säikeiden välisen sidospinnan muoto kuitenkin muuttuu niin vähän, väärät emäkset voivat liittyä toisiinsa muodostaen niin sanotun tautomeerisen muodon DNA:sta, joka voi johtaa vakaisiin geneettisiin mutaatioihin tai jopa syöpään.

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

Tämä vaikutus ennustettiin jo vuonna 1952, kun James Watson ja Francis Crick hyödynsivät Rosalind Franklinin ja Maurice Wilkinsin työtä DNA:n kierteisen rakenteen paljastamiseksi. Kuitenkin vasta nyt tämä DNA-sidoksen modifiointiprosessi on kvantifioitu tarkasti ja sen kvanttielementti on ymmärretty.

Protonien siirto DNA:n vetysidoksia pitkin

Heidän työssään Louie Slocombe, Marco Sacchi, Jim Al Khalili ja kollegat käyttivät kehittyneitä tietokonemalleja osoittaakseen, että DNA-sidoksen modifikaatio johtuu protonien kyvystä siirtyä pitkin GC-emästen väliin muodostuvia vetysidoksia. Kun protonit hyppäävät DNA-säikeen yhdeltä puolelta toiselle, syntyy yhteensopimattomuus, jos jokin näistä hyppyistä tapahtuu juuri ennen kuin DNA-juoste katkeaa tai "purkaa", osana prosessia, jossa se kopioi itsensä.

Selvittääkseen, mikä saa protonit hyppäämään DNA-säikeitä pitkin, tutkijat käyttivät avointen kvanttijärjestelmien lähestymistapaa. He havaitsivat, että sen sijaan, että protonit hyppäisivät säikeitä pitkin, ne ovat itse asiassa kvanttitunneleita niiden läpi. He havaitsivat myös, että tunnelointinopeus on niin nopea, että järjestelmä saavuttaa nopeasti lämpötasapainon, mikä tarkoittaa, että tautomeerien populaatio pysyy vakiona biologisen ajan kuluessa.

kaksoisprotonitunnelointi
Kaavioesitys Löwdinin spontaanin mutageneesin hypoteesista. Kaksoisprotonitunnelointiprosessi muuntaa kanoniset tautomeeriset emäsparit. (Kohtelias: L Slocombe)

Kvanttiefekteillä on väliä

Tähän asti ajateltiin, että minkä tahansa tällaisen kvanttikäyttäytymisen pitäisi huuhtoutua nopeasti pois solujen sisällä vallitsevissa meluisissa olosuhteissa, eikä sillä siten ole fysiologista roolia. Slocombe kuitenkin selittää, että DNA-järjestelmä on niin herkkä vetysidosjärjestelylle, että kvanttivaikutuksilla on merkitystä. Itse asiassa jopa muutaman vetyatomin pieni uudelleenjärjestely voi vaikuttaa DNA:n replikoitumiseen makroskooppisessa mittakaavassa.

"Aihe on jännittävää tutkia, koska se yhdistää tekniikoita ja ideoita eri tieteenaloista", Slocombe kertoo. Fysiikan maailma. "Yleensä nämä eivät ole yhteneviä, ja vaadimme niiden olevan sellaisia, jotta järjestelmän mallinnus tarkasti. Tarvitsemme sekä kemian että fysiikan tietämystä järjestelmien mallintamiseen ja lisäksi meidän on tiedettävä biologiasta, DNA:n replikoitumisesta ja seurauksista, kun se ei täsmää."

Tutkijat, jotka raportoivat työstään Luonto Viestintä, toivovat, että heidän tutkimuksensa "on ensimmäinen monista" tästä aiheesta. "Meitä kiinnostaa eniten", Slocombe lisää, "on se, mitä tapahtuu tarkalleen DNA:n pilkkoutumishetkellä ja kuinka tämän vuorovaikutuksen aikaskaalaus on vuorovaikutuksessa vedyn siirtymisen nopean aikataulun kanssa."

Muita kysymyksiä ovat, tuoko ATGC-emästen käyttäminen vaihtoehtoisten DNA-muotojen sijaan jonkinlaista evoluutionaalista hyötyä, koska ensimmäiset ovat suhteellisen epävakaita. Toinen on se, johtaako tämä epävakaus mutaatioon, mikä johtaa evoluutioprosessia. "Olisi mielenkiintoista ymmärtää, onko DNA-korjausreittejä erityisesti suunniteltu tämäntyyppisten virheiden havaitsemiseen", Slocombe päättää.

Viesti Kvanttivaikutukset auttavat tekemään DNA:sta epävakaa ilmestyi ensin Fysiikan maailma.

Aikaleima:

Lisää aiheesta Fysiikan maailma