Efek kuantum membantu membuat DNA tidak stabil

Stempel Waktu: 14 Juni 2022 12
Node Sumber: 1374601

Efek kuantum memainkan peran tak terduga sampai sekarang dalam menciptakan ketidakstabilan dalam DNA - yang disebut "molekul kehidupan" yang memberikan instruksi untuk proses seluler di semua organisme hidup. Kesimpulan ini, berdasarkan penelitian para peneliti di University of Surrey di Inggris, bertentangan dengan kepercayaan lama bahwa perilaku kuantum tidak relevan di lingkungan sel yang basah dan hangat, dan dapat memiliki konsekuensi luas untuk model mutasi genetik. .

Dua untai heliks ganda DNA yang terkenal dihubungkan bersama oleh ikatan yang terbentuk antara atom hidrogen (proton) di empat basa – guanin (G), sitosin (C), adenin (A) dan timin (T) – yang membentuk masing-masing untai. Biasanya, A selalu berikatan dengan T dan C selalu berikatan dengan G. Namun, jika bentuk permukaan ikatan antara untai berubah sedikit, basa yang salah dapat menjadi terikat, membentuk apa yang disebut bentuk DNA tautomerik yang dapat menyebabkan untuk mutasi genetik yang stabil atau bahkan kanker.

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

Efek ini diprediksi kembali pada tahun 1952, ketika James Watson dan Francis Crick menggunakan karya Rosalind Franklin dan Maurice Wilkins untuk mengungkap struktur heliks DNA. Namun, baru sekarang proses modifikasi ikatan DNA ini telah dikuantifikasi secara akurat, dan elemen kuantumnya dipahami.

Transfer proton sepanjang ikatan hidrogen DNA

Dalam pekerjaan mereka, Louie Slocombe, Marco Sachi, Jim Al-Khalili dan rekan menggunakan model komputer canggih untuk menunjukkan bahwa modifikasi ikatan DNA berasal dari kemampuan proton untuk mentransfer sepanjang ikatan hidrogen yang terbentuk di antara basa GC. Saat proton melompat dari satu sisi untai DNA ke sisi lain, ketidakcocokan terjadi jika salah satu lompatan ini terjadi tepat sebelum untai DNA membelah, atau "membuka ritsleting", sebagai bagian dari proses yang dialaminya untuk menyalin dirinya sendiri.

Untuk mengetahui apa yang membuat proton melompat di sepanjang untaian DNA, para peneliti menggunakan pendekatan sistem kuantum terbuka. Mereka menemukan bahwa alih-alih melompat di sepanjang untaian, proton sebenarnya adalah terowongan kuantum melalui mereka. Mereka juga menemukan bahwa tingkat tunneling sangat cepat sehingga sistem dengan cepat mencapai kesetimbangan termal, yang berarti bahwa populasi tautomer tetap konstan selama rentang waktu biologis.

terowongan proton ganda
Representasi skema hipotesis Lowdin tentang mutagenesis spontan. Proses tunneling proton ganda mengubah pasangan basa kanonik menjadi tautomer. (Sumber: L Slocombe)

Efek kuantum memang penting

Sampai sekarang, diperkirakan bahwa setiap perilaku kuantum seperti itu akan hilang dengan cepat dalam kondisi bising yang terjadi di dalam sel, dan dengan demikian tidak akan memainkan peran fisiologis apa pun. Namun, Slocombe menjelaskan bahwa sistem DNA sangat sensitif terhadap susunan ikatan hidrogen sehingga efek kuantum memang penting. Memang, bahkan penataan ulang kecil dari beberapa atom hidrogen dapat mempengaruhi bagaimana DNA bereplikasi pada skala makroskopik.

“Topik ini menarik untuk dipelajari karena melibatkan kombinasi teknik dan ide dari berbagai bidang ilmu pengetahuan,” kata Slocombe. Dunia Fisika. “Biasanya, ini tidak kongruen dan kami mengharuskan mereka untuk memodelkan sistem secara akurat. Kami membutuhkan pengetahuan kimia dan fisika untuk memodelkan sistem dan selain itu kami perlu tahu tentang biologi, bagaimana DNA bereplikasi dan implikasinya ketika tidak cocok.”

Para peneliti, yang melaporkan pekerjaan mereka di Alam Komunikasi, mengungkapkan harapan bahwa studi mereka "adalah yang pertama dari banyak" tentang topik ini. “Apa yang paling menarik bagi kami,” tambah Slocombe, “adalah apa yang terjadi pada saat yang tepat dari pembelahan DNA dan bagaimana skala waktu interaksi ini berinteraksi dengan skala waktu yang cepat dari transfer hidrogen.”

Pertanyaan lain termasuk apakah menggunakan basa ATGC daripada bentuk alternatif DNA memberikan beberapa manfaat evolusioner, karena yang pertama relatif tidak stabil. Yang lainnya adalah apakah ketidakstabilan ini mengarah pada mutasi, sehingga mendorong proses evolusi. “Akan menarik untuk dipahami jika ada jalur perbaikan DNA yang dirancang khusus untuk menangkap jenis kesalahan ini,” Slocombe menyimpulkan.

Pos Efek kuantum membantu membuat DNA tidak stabil muncul pertama pada Dunia Fisika.

Stempel Waktu:

Lebih dari Dunia Fisika