Kvantni učinki pomagajo narediti DNK nestabilno

Kvantni učinki igrajo doslej nepričakovano vlogo pri ustvarjanju nestabilnosti v DNK – tako imenovani »molekuli življenja«, ki daje navodila za celične procese v vseh živih organizmih. Ta zaključek, ki temelji na delu raziskovalcev z univerze Surrey v Združenem kraljestvu, je v nasprotju z dolgotrajnimi prepričanji, da kvantno vedenje ni pomembno v mokrem, toplem okolju celic in bi lahko imelo daljnosežne posledice za modele genetske mutacije. .

Dve verigi znamenite dvojne vijačnice DNK sta povezani z vezmi, ki nastanejo med vodikovimi atomi (protoni) v štirih bazah – gvaninu (G), citozinu (C), adeninu (A) in timinu (T) – ki sestavljajo vsako pramen. Običajno se A vedno veže na T in C se vedno veže na G. Če pa se oblika vezne površine med verigama le tako rahlo spremeni, se lahko napačne baze povežejo in tvorijo tako imenovano tavtomerno obliko DNK, ki lahko povzroči do stabilnih genetskih mutacij ali celo raka.

Ta učinek je bil napovedan že leta 1952, ko sta James Watson in Francis Crick oprla na delo Rosalind Franklin in Mauricea Wilkinsa, da bi odkrila spiralno strukturo DNK. Vendar pa je bil šele zdaj ta proces spreminjanja vezi DNK natančno kvantificiran in njegov kvantni element razumljen.

Prenos protona vzdolž vodikovih vezi DNA

Pri svojem delu, Louie Slocombe, Marco Sacchi, Jim Al-Khalili in sodelavci so uporabili sofisticirane računalniške modele, da bi pokazali, da modifikacija vezi DNA izvira iz sposobnosti protonov, da se prenašajo vzdolž vodikovih vezi, ki se tvorijo med GC bazami. Ko protoni skačejo z ene strani verige DNK na drugo, pride do neujemanja, če se eden od teh skokov zgodi tik preden se veriga DNK razcepi ali »odpre zadrgo« kot del procesa, ki mu je podvržena, da se kopira.

Da bi ugotovili, zakaj protoni skačejo po verigah DNK, so raziskovalci uporabili pristop odprtega kvantnega sistema. Odkrili so, da protoni v resnici kvantno tunelirajo skozi niti, namesto da bi skakali vzdolž niti. Ugotovili so tudi, da je stopnja tuneliranja tako hitra, da sistem hitro doseže toplotno ravnovesje, kar pomeni, da populacija tavtomerov ostaja konstantna v bioloških časovnih okvirih.

Kvantni učinki so pomembni

Do zdaj se je mislilo, da mora vsako takšno kvantno vedenje hitro izprati v hrupnih razmerah, ki prevladujejo znotraj celic, in tako ne bi imelo nobene fiziološke vloge. Vendar Slocombe pojasnjuje, da je sistem DNK tako občutljiv na razporeditev vodikove vezi, da so kvantni učinki pomembni. Dejansko lahko celo majhna preureditev nekaj vodikovih atomov vpliva na to, kako se DNK podvaja v makroskopskem merilu.

"Tema je vznemirljiva za preučevanje, saj vključuje kombinacijo tehnik in idej iz različnih področij znanosti," pravi Slocombe. Svet fizike. »Običajno ti niso skladni in zahtevamo, da so takšni za natančno modeliranje sistema. Za modeliranje sistemov potrebujemo poznavanje kemije in fizike, poleg tega pa moramo poznati biologijo, kako se DNK podvaja in posledice, ko se ne ujema."

Raziskovalci, ki poročajo o svojem delu v Nature Communications, izražajo upanje, da je njihova študija "prva od mnogih" na to temo. "Kar nas najbolj zanima," dodaja Slocombe, "je, kaj se zgodi v točnem trenutku cepitve DNK in kako se časovni okvir te interakcije prepleta s hitrim časovnim okvirom prenosa vodika."

Druga vprašanja vključujejo, ali uporaba baz ATGC namesto alternativnih oblik DNK prinaša nekatere evolucijske koristi, saj so prve razmeroma nestabilne. Drugo vprašanje je, ali ta nestabilnost vodi v mutacijo in tako poganja proces evolucije. "Zanimivo bi bilo razumeti, ali obstajajo poti popravljanja DNK, ki so posebej zasnovane za ulov tovrstnih napak," zaključuje Slocombe.

Pošta Kvantni učinki pomagajo narediti DNK nestabilno pojavil prvi na Svet fizike.

• Coinsmart. Najboljša evropska borza bitcoinov in kriptovalut.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. PROST DOSTOP.
• CryptoHawk. Altcoin radar. Brezplačen preizkus.
• Vir: https://physicsworld.com/a/quantum-effects-help-make-dna-unstable/