Kvanteeffekter bidrar til å gjøre DNA ustabilt

Kvanteeffekter spiller en hittil uventet rolle i å skape ustabilitet i DNA – det såkalte «livets molekyl» som gir instruksjoner for cellulære prosesser i alle levende organismer. Denne konklusjonen, basert på arbeid fra forskere ved University of Surrey i Storbritannia, strider mot langvarig oppfatning om at kvanteatferd ikke er relevant i det våte, varme miljøet til celler, og kan ha vidtrekkende konsekvenser for modeller for genetisk mutasjon .

De to trådene av DNAs berømte doble helix er koblet sammen av bindinger som dannes mellom hydrogenatomer (protoner) i de fire basene – guanin (G), cytosin (C), adenin (A) og tymin (T) – som utgjør hver Strand. Normalt binder A seg alltid til T og C binder seg alltid til G. Men hvis formen på bindingsflaten mellom trådene endres litt, kan feil baser bli koblet, og danne en såkalt tautomer form av DNA som kan føre til til stabile genetiske mutasjoner eller til og med kreft.

Denne effekten ble spådd tilbake i 1952, da James Watson og Francis Crick tegnet på arbeid av Rosalind Franklin og Maurice Wilkins for å avdekke DNAs spiralformede struktur. Imidlertid er det først nå at denne DNA-bindingsmodifikasjonsprosessen har blitt nøyaktig kvantifisert, og dens kvanteelement forstått.

Protonoverføring langs DNA-hydrogenbindinger

I sitt arbeid, Louie Slocombe, Marco Sacchi, Jim Al Khalili og kolleger brukte sofistikerte datamodeller for å vise at DNA-bindingsmodifisering stammer fra protonenes evne til å overføre langs hydrogenbindingene som dannes mellom G-C-basene. Når protonene hopper fra den ene siden av DNA-tråden til den andre, oppstår det en mismatch hvis en av disse humlene skjer like før DNA-tråden spalter seg, eller "pakker ut", som en del av prosessen den gjennomgår for å kopiere seg selv.

For å finne ut hva som får protoner til å hoppe langs DNA-tråder, brukte forskerne en åpen kvantesystemtilnærming. De oppdaget at i stedet for å hoppe langs trådene, er protonene faktisk kvantetunneler gjennom dem. De fant også at tunneleringshastigheten er så rask at systemet raskt når termisk likevekt, noe som betyr at populasjonen av tautomerer forblir konstant over biologiske tidsskalaer.

Kvanteeffekter betyr noe

Inntil nå har det vært antatt at enhver slik kvanteatferd skulle vaskes ut raskt i de støyende forholdene som råder inne i cellene, og dermed ikke ville spille noen fysiologisk rolle. Slocombe forklarer imidlertid at DNA-systemet er så følsomt for hydrogenbindingsarrangementet at kvanteeffekter betyr noe. Faktisk kan selv den lille omorganiseringen av et par hydrogenatomer påvirke hvordan DNA replikerer på makroskopisk skala.

"Emnet er spennende å studere siden det involverer kombinasjonen av teknikker og ideer fra forskjellige vitenskapsområder," forteller Slocombe Fysikkens verden. "Vanligvis er disse ikke kongruente, og vi krever at de er det for å modellere systemet nøyaktig. Vi trenger kunnskap om både kjemi og fysikk for å modellere systemene, og i tillegg trenger vi å vite om biologi, hvordan DNA replikeres og implikasjonene for når det ikke samsvarer.»

Forskerne, som rapporterer om sitt arbeid i Nature Communications, uttrykke håp om at studien deres "er den første av mange" om dette emnet. "Det som interesserer oss mest," legger Slocombe til, "er hva som skjer i det nøyaktige øyeblikket av DNA-spalting og hvordan tidsskalaen for denne interaksjonen spiller sammen med den raske tidsskalaen for hydrogenoverføringen."

Andre spørsmål inkluderer om bruk av ATGC-baser i stedet for alternative former for DNA gir en viss evolusjonær fordel, siden førstnevnte er relativt ustabile. En annen er om denne ustabiliteten fører til mutasjon, og dermed driver evolusjonsprosessen. "Det ville være interessant å forstå om det er noen DNA-reparasjonsveier spesielt designet for å fange opp denne typen feil," konkluderer Slocombe.

Innlegget Kvanteeffekter bidrar til å gjøre DNA ustabilt dukket først på Fysikkens verden.

• Myntsmart. Europas beste Bitcoin og Crypto Exchange.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. FRI TILGANG.
• CryptoHawk. Altcoin Radar. Gratis prøveperiode.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/quantum-effects-help-make-dna-unstable/