השפעות קוונטיות עוזרות להפוך את ה-DNA ללא יציב

חותמת זמן: 14 ביוני 2022 12:40
צומת המקור: 1374601

השפעות קוונטיות ממלאות תפקיד בלתי צפוי עד כה ביצירת חוסר יציבות ב-DNA - מה שמכונה "מולקולת החיים" המספקת הוראות לתהליכים תאיים בכל האורגניזמים החיים. מסקנה זו, המבוססת על עבודה של חוקרים מאוניברסיטת סארי בבריטניה, מנוגדת לאמונות ארוכות כי התנהגות קוונטית אינה רלוונטית בסביבה הרטובה והחמה של תאים, ועלולה להיות לה השלכות מרחיקות לכת על מודלים של מוטציה גנטית. .

שני הגדילים של הסליל הכפול המפורסם של ה-DNA מקושרים ביניהם על ידי קשרים הנוצרים בין אטומי מימן (פרוטונים) בארבעת הבסיסים - גואנין (G), ציטוזין (C), אדנין (A) ותימין (T) - המרכיבים כל אחד מהם. גָדִיל. בדרך כלל, A תמיד נקשר ל-T ו-C תמיד נקשר ל-G. עם זאת, אם צורת משטח ההתקשרות בין הגדילים משתנה מעט, הבסיסים הלא נכונים עלולים להיקשר, וליצור מה שנקרא צורה טאוטומרית של DNA שיכולה להוביל למוטציות גנטיות יציבות או אפילו לסרטן.

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

אפקט זה נחזה כבר ב-1952, כאשר ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק ציירו עבודה של רוזלינד פרנקלין ומוריס וילקינס כדי לחשוף את המבנה הסליל של ה-DNA. עם זאת, רק כעת תהליך שינוי קשר DNA זה כמת במדויק, והאלמנט הקוונטי שלו מובן.

העברת פרוטונים לאורך קשרי מימן DNA

בעבודתם, לואי סלוקומב, מרקו סאקי, ג'ים אל-חלילי ועמיתיו השתמשו במודלים ממוחשבים מתוחכמים כדי להראות ששינוי קשרי DNA נובע מהיכולת של הפרוטונים להעביר לאורך קשרי המימן שנוצרים בין בסיסי ה-GC. כשהפרוטונים קופצים מצד אחד של גדיל ה-DNA לצד השני, חוסר התאמה מתרחש אם אחד מהכשות הללו מתרחש רגע לפני שגדיל ה-DNA מתפצל, או "נפרק", כחלק מהתהליך שהוא עובר כדי להעתיק את עצמו.

כדי לקבוע מה גורם לפרוטונים לקפוץ לאורך גדילי DNA, החוקרים השתמשו בגישה של מערכות קוונטיות פתוחות. הם גילו שבמקום לקפוץ לאורך הגדילים, הפרוטונים למעשה עוברים דרכם מנהור קוונטי. הם גם גילו שקצב המנהור כל כך מהיר שהמערכת מגיעה במהירות לשיווי משקל תרמי, כלומר אוכלוסיית הטאוטומרים נשארת קבועה לאורך לוחות זמנים ביולוגיים.

מנהור פרוטונים כפול
ייצוג סכמטי של השערת לוודין למוטגנזה ספונטנית. תהליך מנהור פרוטונים כפול הופך את הקנוני לזוגות בסיסים טאוטומריים. (באדיבות: L Slocombe)

השפעות קוונטיות כן חשובות

עד כה חשבו שכל התנהגות קוונטית כזו צריכה להישטף במהירות בתנאים הרועשים השוררים בתוך התאים, ולכן לא תמלא שום תפקיד פיזיולוגי. עם זאת, סלוקומב מסביר שמערכת ה-DNA כל כך רגישה לסידור קשרי המימן עד שהשפעות קוונטיות כן חשובות. ואכן, אפילו הסידור מחדש הזעיר של כמה אטומי מימן יכול להשפיע על איך הדנ"א משתכפל בקנה מידה מקרוסקופי.

"הנושא מרגש ללימוד מכיוון שהוא כרוך בשילוב של טכניקות ורעיונות מתחומי מדע שונים", אומר סלוקומב עולם הפיזיקה. "בדרך כלל, אלה אינם תואמים ואנו דורשים מהם להיות כאלה כדי לדגמן את המערכת בצורה מדויקת. אנו דורשים ידע בכימיה ובפיזיקה כאחד כדי ליצור מודלים של המערכות ובנוסף אנו צריכים לדעת על ביולוגיה, כיצד הדנ"א משתכפל וההשלכות מתי הוא לא תואם".

החוקרים המדווחים על עבודתם ב תקשורת טבע, הביעו תקווה שהמחקר שלהם "הוא הראשון מני רבים" בנושא זה. "מה שהכי מעניין אותנו", מוסיף סלוקומב, "זה מה שקורה ברגע המדויק של ביקוע ה-DNA וכיצד טווח הזמן של האינטראקציה הזו משתלב עם טווח הזמן המהיר של העברת המימן".

שאלות אחרות כוללות האם שימוש בבסיסי ATGC ולא בצורות אלטרנטיביות של DNA מעניק תועלת אבולוציונית כלשהי, מכיוון שהראשונים אינם יציבים יחסית. אחרת היא האם חוסר היציבות הזה מוביל למוטציה, ובכך מניע את תהליך האבולוציה. "יהיה מעניין להבין אם יש מסלולי תיקון DNA שתוכננו במיוחד לתפוס שגיאות מסוג זה", מסכם סלוקומב.

ההודעה השפעות קוונטיות עוזרות להפוך את ה-DNA ללא יציב הופיע לראשונה ב עולם הפיזיקה.

בול זמן:

עוד מ עולם הפיזיקה