Kvanteffekter hjälper till att göra DNA instabilt

Tidsstämpel: 14 juni 2022 12:40
Källnod: 1374601

Kvanteffekter spelar en hittills oväntad roll för att skapa instabilitet i DNA – den så kallade ”livsmolekylen” som ger instruktioner för cellulära processer i alla levande organismer. Denna slutsats, baserad på arbete av forskare vid University of Surrey i Storbritannien, går emot långvarig uppfattning om att kvantbeteende inte är relevant i den våta, varma miljön av celler och kan få långtgående konsekvenser för modeller av genetisk mutation .

De två strängarna i DNA:s berömda dubbelhelix är sammanlänkade genom bindningar som bildas mellan väteatomer (protoner) i de fyra baserna – guanin (G), cytosin (C), adenin (A) och tymin (T) – som utgör var och en strå. Normalt binder A alltid till T och C binder alltid till G. Men om formen på bindningsytan mellan strängarna ändras något så kan fel baser kopplas ihop och bilda en så kallad tautomer form av DNA som kan leda till till stabila genetiska mutationer eller till och med cancer.

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

Denna effekt förutspåddes redan 1952, när James Watson och Francis Crick drog på arbete av Rosalind Franklin och Maurice Wilkins för att avslöja DNA:s spiralformade struktur. Det är dock först nu som denna DNA-bindningsmodifieringsprocess har kvantifierats korrekt och dess kvantelement förstått.

Protonöverföring längs DNA-vätebindningar

I sitt arbete, Louie Slocombe, Marco Sacchi, Jim Al Khalili och kollegor använde sofistikerade datormodeller för att visa att DNA-bindningsmodifiering härrör från protonernas förmåga att överföra längs vätebindningarna som bildas mellan GC-baserna. När protonerna hoppar från den ena sidan av DNA-strängen till den andra, uppstår en missmatchning om en av dessa humle inträffar precis innan DNA-strängen klyvs, eller "låser upp", som en del av den process som den genomgår för att kopiera sig själv.

För att fastställa vad som får protoner att hoppa längs DNA-strängar använde forskarna ett tillvägagångssätt med öppna kvantsystem. De upptäckte att snarare än att hoppa längs strängarna kvanttunnlar protonerna i själva verket genom dem. De fann också att tunneleringshastigheten är så snabb att systemet snabbt når termisk jämvikt, vilket innebär att populationen av tautomerer förblir konstant över biologiska tidsskalor.

dubbel protontunnling
Schematisk representation av Löwdins hypotes om spontan mutagenes. En process för dubbel protontunnling omvandlar kanoniska baspar till tautomera baspar. (Med tillstånd: L Slocombe)

Kvanteffekter spelar roll

Hittills har man trott att ett sådant kvantbeteende snabbt skulle tvättas ut i de bullriga förhållanden som råder inuti celler och därmed inte skulle spela någon fysiologisk roll. Men Slocombe förklarar att DNA-systemet är så känsligt för vätebindningsarrangemanget att kvanteffekter spelar roll. Faktum är att även den lilla omarrangeringen av ett par väteatomer kan påverka hur DNA replikerar på den makroskopiska skalan.

"Ämnet är spännande att studera eftersom det involverar kombinationen av tekniker och idéer från olika vetenskapsområden," säger Slocombe Fysikvärlden. "Vanligtvis är dessa inte kongruenta och vi kräver att de är så för att modellera systemet korrekt. Vi behöver kunskap om både kemi och fysik för att modellera systemen och dessutom behöver vi veta om biologi, hur DNA replikerar och konsekvenserna för när det inte matchar.”

Forskarna, som rapporterar sitt arbete i Nature Communications, uttrycka hopp om att deras studie "är den första av många" om detta ämne. "Det som mest intresserar oss," tillägger Slocombe, "är vad som händer i det exakta ögonblicket för DNA-klyvningen och hur tidsskalan för denna interaktion samspelar med den snabba tidsskalan för väteöverföringen."

Andra frågor inkluderar huruvida användning av ATGC-baser snarare än alternativa former av DNA ger någon evolutionär fördel, eftersom de förra är relativt instabila. En annan är huruvida denna instabilitet leder till mutation, vilket driver evolutionsprocessen. "Det skulle vara intressant att förstå om det finns några DNA-reparationsvägar speciellt utformade för att fånga dessa typer av fel," avslutar Slocombe.

Posten Kvanteffekter hjälper till att göra DNA instabilt visades först på Fysikvärlden.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden