Квантовые эффекты делают ДНК нестабильной

Квантовые эффекты играют неожиданную до сих пор роль в создании нестабильности в ДНК — так называемой «молекуле жизни», которая обеспечивает инструкции для клеточных процессов во всех живых организмах. Этот вывод, основанный на работе исследователей из Университета Суррея в Великобритании, противоречит давним убеждениям, что квантовое поведение не имеет значения во влажной и теплой среде клеток и может иметь далеко идущие последствия для моделей генетической мутации. .

Две нити знаменитой двойной спирали ДНК связаны друг с другом связями, которые образуются между атомами водорода (протонами) в четырех основаниях — гуанине (G), цитозине (C), аденине (A) и тимине (T), — составляющих каждую из них. прядь. В норме A всегда связывается с T, а C всегда связывается с G. Однако, если форма поверхности соединения между цепями изменяется очень незначительно, неправильные основания могут сцепляться, образуя так называемую таутомерную форму ДНК, которая может привести к к стабильным генетическим мутациям или даже к раку.

Этот эффект был предсказан еще в 1952 году, когда Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик использовали работы Розалинды Франклин и Мориса Уилкинса, чтобы раскрыть спиральную структуру ДНК. Однако только сейчас этот процесс модификации связей ДНК был точно определен количественно и понятен его квантовый элемент.

Перенос протона по водородным связям ДНК

В своей работе, Луи Слокомб, Марко Сакки, Джим аль-Халили и его коллеги использовали сложные компьютерные модели, чтобы показать, что модификация связей ДНК происходит из-за способности протонов перемещаться по водородным связям, которые образуются между основаниями GC. По мере того, как протоны перескакивают с одной стороны цепи ДНК на другую, возникает несоответствие, если один из этих скачков происходит непосредственно перед тем, как цепь ДНК расщепляется или «расстегивается» как часть процесса, которому она подвергается, чтобы копировать себя.

Чтобы определить, что заставляет протоны прыгать по цепям ДНК, исследователи использовали подход открытых квантовых систем. Они обнаружили, что вместо того, чтобы прыгать по нитям, протоны на самом деле квантово туннелируют сквозь них. Они также обнаружили, что скорость туннелирования настолько высока, что система быстро достигает теплового равновесия, а это означает, что популяция таутомеров остается постоянной в биологических масштабах времени.

Квантовые эффекты имеют значение

До сих пор считалось, что любое такое квантовое поведение должно быстро стираться в условиях шума, преобладающего внутри клеток, и поэтому не будет играть никакой физиологической роли. Однако Слокомб объясняет, что система ДНК настолько чувствительна к расположению водородных связей, что квантовые эффекты имеют значение. Действительно, даже крошечная перегруппировка пары атомов водорода может повлиять на репликацию ДНК в макроскопическом масштабе.

«Эту тему интересно изучать, поскольку она включает в себя сочетание методов и идей из разных областей науки», — говорит Слокомб. Мир физики. «Обычно они не совпадают, и мы требуем, чтобы они были такими, чтобы точно моделировать систему. Нам нужны знания как в химии, так и в физике для моделирования систем, и, кроме того, нам нужно знать о биологии, о том, как реплицируется ДНК, и о последствиях, когда она не совпадает».

Исследователи, сообщающие о своей работе в Природа связи, выражают надежду, что их исследование «является первым из многих» по этой теме. «Что нас больше всего интересует, — добавляет Слокомб, — так это то, что происходит в конкретный момент расщепления ДНК и как временная шкала этого взаимодействия взаимодействует с быстрой временной шкалой переноса водорода».

Другие вопросы включают в себя, дает ли использование оснований ATGC, а не альтернативных форм ДНК, некоторую эволюционную выгоду, поскольку первые относительно нестабильны. Другой вопрос, приводит ли эта нестабильность к мутациям, тем самым стимулируя процесс эволюции. «Было бы интересно понять, существуют ли какие-либо пути восстановления ДНК, специально предназначенные для обнаружения таких типов ошибок», — заключает Слокомб.

сообщение Квантовые эффекты делают ДНК нестабильной Появившийся сначала на Мир физики.

• Коинсмарт. Лучшая в Европе биржа биткойнов и криптовалют.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. БЕСПЛАТНЫЙ ДОСТУП.
• КриптоХок. Альткоин Радар. Бесплатная пробная версия.
• Источник: https://physicsworld.com/a/quantum-effects-help-make-dna-unstable/