Kwantumeffecten helpen DNA onstabiel te maken

Tijdstempel: 14 juni 2022 12:40 uur
Bronknooppunt: 1374601

Kwantumeffecten spelen een tot nu toe onverwachte rol bij het creëren van instabiliteiten in het DNA - het zogenaamde 'levensmolecuul' dat instructies geeft voor cellulaire processen in alle levende organismen. Deze conclusie, gebaseerd op het werk van onderzoekers van de Universiteit van Surrey in het VK, druist in tegen de lang gekoesterde overtuiging dat kwantumgedrag niet relevant is in de natte, warme omgeving van cellen, en verstrekkende gevolgen zou kunnen hebben voor modellen van genetische mutatie .

De twee strengen van de beroemde dubbele helix van DNA zijn met elkaar verbonden door bindingen die zich vormen tussen waterstofatomen (protonen) in de vier basen - guanine (G), cytosine (C), adenine (A) en thymine (T) - die elk strand. Normaal gesproken bindt A altijd aan T en C bindt altijd aan G. Als de vorm van het bindingsoppervlak tussen de strengen echter ook maar een klein beetje verandert, kunnen de verkeerde basen worden gekoppeld, waardoor een zogenaamde tautomere vorm van DNA ontstaat die kan leiden tot tot stabiele genetische mutaties of zelfs kanker.

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

Dit effect werd al voorspeld in 1952, toen James Watson en Francis Crick gebruik maakten van het werk van Rosalind Franklin en Maurice Wilkins om de spiraalvormige structuur van DNA te ontdekken. Het is echter pas nu dat dit proces van DNA-bindingsmodificatie nauwkeurig is gekwantificeerd en het kwantumelement ervan is begrepen.

Protonoverdracht langs DNA-waterstofbindingen

In hun werk, Louie Slocombe, Marco Sachi, Jim Al Khalili en collega's gebruikten geavanceerde computermodellen om aan te tonen dat de modificatie van DNA-bindingen voortkomt uit het vermogen van de protonen om langs de waterstofbruggen die zich tussen de GC-basen vormen, over te dragen. Terwijl de protonen van de ene kant van de DNA-streng naar de andere springen, treedt er een mismatch op als een van deze hops plaatsvindt net voordat de DNA-streng splitst, of "openritst", als onderdeel van het proces dat het ondergaat om zichzelf te kopiëren.

Om vast te stellen waarom protonen langs DNA-strengen springen, gebruikten de onderzoekers een open kwantumsysteembenadering. Ze ontdekten dat de protonen, in plaats van langs de strengen te springen, in feite een kwantumtunneling door hen heen aan het maken zijn. Ze ontdekten ook dat de tunnelsnelheid zo snel is dat het systeem snel thermisch evenwicht bereikt, wat betekent dat de populatie van tautomeren constant blijft over biologische tijdschalen.

dubbele protontunneling
Schematische weergave van Löwdins hypothese van spontane mutagenese. Een dubbel proton-tunnelingproces zet canonieke basenparen om in tautomere basenparen. (Met dank aan: L Slocombe)

Kwantumeffecten doen ertoe

Tot nu toe werd gedacht dat dergelijk kwantumgedrag snel zou verdwijnen in de lawaaierige omstandigheden die in cellen heersen, en dus geen fysiologische rol zou spelen. Slocombe legt echter uit dat het DNA-systeem zo gevoelig is voor de rangschikking van waterstofbruggen dat kwantumeffecten er wel degelijk toe doen. Zelfs de kleine herschikking van een paar waterstofatomen kan zelfs invloed hebben op hoe DNA zich op macroscopische schaal repliceert.

"Het onderwerp is opwindend om te bestuderen, omdat het de combinatie van technieken en ideeën uit verschillende wetenschapsgebieden betreft", vertelt Slocombe. Natuurkunde wereld. "Normaal gesproken zijn deze niet congruent en we hebben ze nodig om het systeem nauwkeurig te modelleren. We hebben kennis van zowel scheikunde als natuurkunde nodig om de systemen te modelleren en daarnaast moeten we weten over biologie, hoe DNA repliceert en de implicaties voor wanneer het niet overeenkomt."

De onderzoekers, die hun werk rapporteren in Nature Communications, spreken de hoop uit dat hun studie "de eerste van velen" over dit onderwerp is. "Wat ons het meest interesseert," voegt Slocombe toe, "is wat er precies gebeurt op het moment dat het DNA wordt gesplitst en hoe de tijdschaal van deze interactie samenwerkt met de snelle tijdschaal van de waterstofoverdracht."

Andere vragen zijn of het gebruik van ATGC-basen in plaats van alternatieve vormen van DNA enig evolutionair voordeel oplevert, aangezien de eerste relatief onstabiel zijn. Een andere vraag is of deze instabiliteit tot mutatie leidt en zo het evolutieproces aanstuurt. "Het zou interessant zijn om te begrijpen of er DNA-reparatieroutes zijn die specifiek zijn ontworpen om dit soort fouten op te vangen", besluit Slocombe.

De post Kwantumeffecten helpen DNA onstabiel te maken verscheen eerst op Natuurkunde wereld.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld