Les effets quantiques contribuent à rendre l'ADN instable

Les effets quantiques jouent un rôle jusqu'ici inattendu dans la création d'instabilités dans l'ADN - la soi-disant «molécule de la vie» qui fournit des instructions pour les processus cellulaires dans tous les organismes vivants. Cette conclusion, basée sur les travaux de chercheurs de l'Université de Surrey au Royaume-Uni, va à l'encontre des croyances de longue date selon lesquelles le comportement quantique n'est pas pertinent dans l'environnement humide et chaud des cellules, et pourrait avoir des conséquences considérables pour les modèles de mutation génétique. .

Les deux brins de la célèbre double hélice de l'ADN sont liés par des liaisons qui se forment entre les atomes d'hydrogène (protons) dans les quatre bases - guanine (G), cytosine (C), adénine (A) et thymine (T) - qui composent chacune brin. Normalement, A se lie toujours à T et C se lie toujours à G. Cependant, si la forme de la surface de liaison entre les brins change très légèrement, les mauvaises bases peuvent se lier, formant une forme d'ADN dite tautomère qui peut conduire à des mutations génétiques stables ou même au cancer.

Cet effet a été prédit en 1952, lorsque James Watson et Francis Crick se sont inspirés des travaux de Rosalind Franklin et Maurice Wilkins pour découvrir la structure hélicoïdale de l'ADN. Cependant, ce n'est que maintenant que ce processus de modification des liaisons de l'ADN a été quantifié avec précision et que son élément quantique a été compris.

Transfert de protons le long des liaisons hydrogène de l'ADN

Dans leur travail, Louie Slocombe, Marco Sacchi, Jim Al-Khalili et ses collègues ont utilisé des modèles informatiques sophistiqués pour montrer que la modification des liaisons ADN découle de la capacité des protons à se transférer le long des liaisons hydrogène qui se forment entre les bases GC. Au fur et à mesure que les protons sautent d'un côté à l'autre du brin d'ADN, un décalage se produit si l'un de ces sauts se produit juste avant que le brin d'ADN ne se clive, ou "se décompresse", dans le cadre du processus qu'il subit pour se copier.

Pour déterminer ce qui fait sauter les protons le long des brins d'ADN, les chercheurs ont utilisé une approche de systèmes quantiques ouverts. Ils ont découvert qu'au lieu de sauter le long des brins, les protons sont en fait des tunnels quantiques à travers eux. Ils ont également découvert que le taux de tunnellisation est si rapide que le système atteint rapidement l'équilibre thermique, ce qui signifie que la population de tautomères reste constante sur des échelles de temps biologiques.

Les effets quantiques comptent

Jusqu'à présent, on pensait qu'un tel comportement quantique devrait disparaître rapidement dans les conditions bruyantes qui prévalent à l'intérieur des cellules, et ne jouerait donc aucun rôle physiologique. Cependant, Slocombe explique que le système d'ADN est si sensible à l'arrangement des liaisons hydrogène que les effets quantiques importent. En effet, même le minuscule réarrangement de quelques atomes d'hydrogène peut affecter la façon dont l'ADN se réplique à l'échelle macroscopique.

"Le sujet est passionnant à étudier car il implique la combinaison de techniques et d'idées issues de différents domaines scientifiques", a déclaré Slocombe. Monde de la physique. « En règle générale, ceux-ci ne sont pas congruents et nous exigeons qu'ils le soient pour modéliser le système avec précision. Nous avons besoin de connaissances à la fois en chimie et en physique pour modéliser les systèmes et, en plus, nous devons connaître la biologie, comment l'ADN se réplique et les implications en cas de non-concordance.

Les chercheurs, qui rapportent leurs travaux Communications Nature, expriment l'espoir que leur étude "est la première d'une longue série" sur ce sujet. "Ce qui nous intéresse le plus", ajoute Slocombe, "est ce qui se passe au moment exact du clivage de l'ADN et comment l'échelle de temps de cette interaction interagit avec l'échelle de temps rapide du transfert d'hydrogène."

D'autres questions incluent si l'utilisation de bases ATGC plutôt que d'autres formes d'ADN confère un avantage évolutif, puisque les premières sont relativement instables. Une autre est de savoir si cette instabilité conduit à la mutation, entraînant ainsi le processus d'évolution. "Il serait intéressant de comprendre s'il existe des voies de réparation de l'ADN spécifiquement conçues pour détecter ces types d'erreurs", conclut Slocombe.

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• Source : https://physicsworld.com/a/quantum-effects-help-make-dna-unstable/