Efekty kwantowe sprawiają, że DNA jest niestabilne

Znacznik czasu: 14 czerwca 2022 12:40
Węzeł źródłowy: 1374601

Efekty kwantowe odgrywają dotychczas nieoczekiwaną rolę w tworzeniu niestabilności w DNA – tak zwanej „cząsteczce życia”, która dostarcza instrukcji dla procesów komórkowych we wszystkich żywych organizmach. Ten wniosek, oparty na pracach naukowców z University of Surrey w Wielkiej Brytanii, jest sprzeczny z długo utrzymywanym przekonaniem, że zachowanie kwantowe nie jest istotne w wilgotnym, ciepłym środowisku komórek i może mieć daleko idące konsekwencje dla modeli mutacji genetycznych .

Dwie nici słynnej podwójnej helisy DNA są połączone ze sobą wiązaniami, które tworzą się między atomami wodoru (protonami) w czterech zasadach – guaninie (G), cytozynie (C), adeninie (A) i tyminie (T) – które tworzą każdą z nich. pasmo. Zwykle A zawsze wiąże się z T, a C zawsze wiąże się z G. Jednakże, jeśli kształt powierzchni wiążącej między nitkami zmieni się nieznacznie, niewłaściwe zasady mogą zostać połączone, tworząc tak zwaną tautomeryczną formę DNA, która może prowadzić do stabilnych mutacji genetycznych, a nawet raka.

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

Efekt ten przewidziano już w 1952 roku, kiedy James Watson i Francis Crick wykorzystali prace Rosalind Franklin i Maurice'a Wilkinsa, aby odkryć helikalną strukturę DNA. Jednak dopiero teraz ten proces modyfikacji wiązań DNA został dokładnie określony ilościowo, a jego element kwantowy zrozumiany.

Transfer protonów wzdłuż wiązań wodorowych DNA

W swojej pracy Louiego Slocombe'a, Marco Sacchi, Jima Al-Khaliliego i koledzy wykorzystali zaawansowane modele komputerowe, aby wykazać, że modyfikacja wiązań DNA wynika ze zdolności protonów do przenoszenia się wzdłuż wiązań wodorowych, które tworzą się między zasadami GC. Gdy protony przeskakują z jednej strony nici DNA na drugą, występuje niedopasowanie, jeśli jeden z tych przeskoków ma miejsce tuż przed rozszczepieniem lub „rozpakowaniem” nici DNA w ramach procesu, w którym się kopiuje.

Aby określić, co powoduje, że protony przeskakują wzdłuż nici DNA, naukowcy zastosowali podejście oparte na otwartych systemach kwantowych. Odkryli, że zamiast skakać po niciach, protony w rzeczywistości przechodzą przez nie tunelami kwantowymi. Odkryli również, że tempo tunelowania jest tak szybkie, że system szybko osiąga równowagę termiczną, co oznacza, że ​​populacja tautomerów pozostaje stała w biologicznych skalach czasowych.

podwójne tunelowanie protonów
Schematyczne przedstawienie hipotezy Löwdina o spontanicznej mutagenezie. Proces podwójnego tunelowania protonów przekształca kanoniczne w tautomeryczne pary zasad. (Dzięki uprzejmości: L Slocombe)

Efekty kwantowe mają znaczenie

Do tej pory sądzono, że w hałaśliwych warunkach panujących wewnątrz komórek wszelkie takie zachowania kwantowe powinny szybko się wypłukać, a tym samym nie będą odgrywać żadnej roli fizjologicznej. Slocombe wyjaśnia jednak, że system DNA jest tak wrażliwy na układ wiązań wodorowych, że efekty kwantowe mają znaczenie. Rzeczywiście, nawet niewielka rearanżacja kilku atomów wodoru może wpłynąć na sposób replikacji DNA w skali makroskopowej.

„Temat jest ekscytujący do studiowania, ponieważ obejmuje połączenie technik i pomysłów z różnych dziedzin nauki”, mówi Slocombe Świat Fizyki. „Zazwyczaj nie są one przystające i wymagamy ich, aby dokładnie modelować system. Do modelowania systemów potrzebujemy wiedzy zarówno z zakresu chemii, jak i fizyki, a ponadto musimy znać biologię, sposób replikacji DNA i konsekwencje niezgodności”.

Badacze, którzy zgłaszają swoją pracę w: Nature Communicationswyrażają nadzieję, że ich badanie „jest pierwszym z wielu” na ten temat. „Najbardziej interesuje nas”, dodaje Slocombe, „to, co dzieje się dokładnie w momencie rozszczepiania DNA i jak skala czasowa tej interakcji współgra z szybką skalą czasową transferu wodoru”.

Inne pytania dotyczą tego, czy stosowanie zasad ATGC zamiast alternatywnych form DNA daje pewne korzyści ewolucyjne, ponieważ te pierwsze są stosunkowo niestabilne. Inną kwestią jest to, czy ta niestabilność prowadzi do mutacji, napędzając w ten sposób proces ewolucji. „Ciekawe byłoby zrozumienie, czy istnieją jakieś ścieżki naprawy DNA specjalnie zaprojektowane do wyłapywania tego typu błędów” – podsumowuje Slocombe.

Post Efekty kwantowe sprawiają, że DNA jest niestabilne pojawiła się najpierw na Świat Fizyki.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki