Gli effetti quantistici aiutano a rendere instabile il DNA

Timestamp: 14 giugno 2022 12:40
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Gli effetti quantistici svolgono un ruolo finora inaspettato nel creare instabilità nel DNA, la cosiddetta "molecola della vita" che fornisce istruzioni per i processi cellulari in tutti gli organismi viventi. Questa conclusione, basata sul lavoro dei ricercatori dell'Università del Surrey nel Regno Unito, va contro le convinzioni di lunga data secondo cui il comportamento quantistico non è rilevante nell'ambiente umido e caldo delle cellule e potrebbe avere conseguenze di vasta portata per i modelli di mutazione genetica .

I due filamenti della famosa doppia elica del DNA sono legati tra loro da legami che si formano tra gli atomi di idrogeno (protoni) nelle quattro basi – guanina (G), citosina (C), adenina (A) e timina (T) – che compongono ciascuna filo. Normalmente, A si lega sempre a T e C si lega sempre a G. Tuttavia, se la forma della superficie di legame tra i filamenti cambia leggermente, le basi sbagliate possono legarsi, formando una cosiddetta forma tautomerica di DNA che può portare a a mutazioni genetiche stabili o addirittura al cancro.

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Questo effetto è stato previsto nel 1952, quando James Watson e Francis Crick hanno attinto al lavoro di Rosalind Franklin e Maurice Wilkins per scoprire la struttura elicoidale del DNA. Tuttavia, è solo ora che questo processo di modifica del legame del DNA è stato quantificato accuratamente e il suo elemento quantistico è stato compreso.

Trasferimento di protoni lungo i legami idrogeno del DNA

Nel loro lavoro, Louie Slocombe, Marco Sacchi, Jim Al Khalili e colleghi hanno utilizzato sofisticati modelli computerizzati per dimostrare che la modifica del legame del DNA deriva dalla capacità dei protoni di trasferirsi lungo i legami idrogeno che si formano tra le basi GC. Quando i protoni saltano da un lato all'altro del filamento di DNA, si verifica una discrepanza se uno di questi salti si verifica appena prima che il filamento di DNA si scinde, o si "decomprime", come parte del processo a cui è sottoposto per copiarsi.

Per definire cosa fa saltare i protoni lungo i filamenti di DNA, i ricercatori hanno utilizzato un approccio di sistemi quantistici aperti. Hanno scoperto che invece di saltare lungo i filamenti, i protoni in realtà stanno attraversando tunnel quantistici. Hanno anche scoperto che la velocità di tunneling è così veloce che il sistema raggiunge rapidamente l'equilibrio termico, il che significa che la popolazione di tautomeri rimane costante su scale temporali biologiche.

doppio tunnel protonico
Rappresentazione schematica dell'ipotesi di Löwdin di mutagenesi spontanea. Un doppio processo di tunneling protonico converte le coppie di basi canoniche in tautomeriche. (Per gentile concessione di L Slocombe)

Gli effetti quantistici contano

Fino ad ora, si pensava che un simile comportamento quantistico dovesse svanire rapidamente nelle condizioni rumorose che prevalgono all'interno delle cellule, e quindi non avrebbe svolto alcun ruolo fisiologico. Tuttavia, Slocombe spiega che il sistema del DNA è così sensibile alla disposizione del legame idrogeno che gli effetti quantistici contano. In effetti, anche il minuscolo riarrangiamento di un paio di atomi di idrogeno può influenzare il modo in cui il DNA si replica su scala macroscopica.

"L'argomento è entusiasmante da studiare poiché coinvolge la combinazione di tecniche e idee provenienti da diversi regni della scienza", dice Slocombe Mondo della fisica. “In genere, questi non sono congruenti e richiediamo che lo siano per modellare accuratamente il sistema. Abbiamo bisogno di conoscenze sia di chimica che di fisica per modellare i sistemi e inoltre abbiamo bisogno di conoscere la biologia, come si replica il DNA e le implicazioni per quando non corrisponde”.

I ricercatori, che riportano il loro lavoro in Nature Communications, esprimono la speranza che il loro studio “sia il primo di molti” su questo argomento. "Quello che più ci interessa", aggiunge Slocombe, "è cosa succede nel momento esatto della scissione del DNA e come la scala temporale di questa interazione interagisce con la scala temporale veloce del trasferimento di idrogeno".

Altre domande includono se l'utilizzo di basi ATGC piuttosto che di forme alternative di DNA conferisca qualche beneficio evolutivo, poiché le prime sono relativamente instabili. Un altro è se questa instabilità porti alla mutazione, guidando così il processo di evoluzione. "Sarebbe interessante capire se esistono percorsi di riparazione del DNA specificamente progettati per rilevare questi tipi di errori", conclude Slocombe.

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