Квантові ефекти допомагають зробити ДНК нестабільною

Квантові ефекти відіграють досі несподівану роль у створенні нестабільності в ДНК – так званій «молекулі життя», яка забезпечує інструкції для клітинних процесів у всіх живих організмах. Цей висновок, заснований на роботі дослідників з Університету Суррея у Великій Британії, суперечить давнім переконанням, що квантова поведінка не має значення у вологому, теплому середовищі клітин і може мати далекосяжні наслідки для моделей генетичної мутації. .

Два ланцюги знаменитої подвійної спіралі ДНК з’єднані між собою зв’язками, які утворюються між атомами водню (протонами) у чотирьох основах – гуаніні (G), цитозині (C), аденіні (A) і тиміні (T), які складають кожну з них. пасмо. Зазвичай A завжди зв’язується з T, а C завжди зв’язується з G. Однак, якщо форма поверхні зв’язку між ланцюгами змінюється настільки незначно, неправильні основи можуть стати зв’язаними, утворюючи так звану таутомерну форму ДНК, яка може призвести до до стійких генетичних мутацій або навіть раку.

Цей ефект був передбачений ще в 1952 році, коли Джеймс Вотсон і Френсіс Крік спиралися на роботу Розалінд Франклін і Моріса Вілкінса, щоб розкрити спіральну структуру ДНК. Однак тільки зараз цей процес модифікації зв’язку ДНК було точно кількісно визначено, і його квантовий елемент зрозумілий.

Перенесення протона по водневих зв'язках ДНК

У своїй роботі, Луї Слокомб, Марко Саккі, Джим Аль-Халілі і його колеги використали складні комп’ютерні моделі, щоб показати, що модифікація зв’язків ДНК виникає через здатність протонів переноситися вздовж водневих зв’язків, які утворюються між основами GC. Коли протони перескакують з одного боку ланцюга ДНК на інший, виникає невідповідність, якщо одне з цих стрибків відбувається безпосередньо перед тим, як ланцюг ДНК розщеплюється, або «розпаковується», як частина процесу, якому він піддається, щоб копіювати себе.

Щоб визначити, що змушує протони стрибати по ланцюгах ДНК, дослідники використали підхід відкритих квантових систем. Вони виявили, що замість того, щоб стрибати вздовж ниток, протони насправді квантово тунелюють через них. Вони також виявили, що швидкість тунелювання настільки висока, що система швидко досягає теплової рівноваги, тобто популяція таутомерів залишається постійною протягом біологічних часових масштабів.

Квантові ефекти мають значення

До цього часу вважалося, що будь-яка така квантова поведінка повинна швидко вимиватися в шумних умовах, які панують усередині клітин, і, таким чином, не відіграватиме жодної фізіологічної ролі. Однак Слокомб пояснює, що система ДНК настільки чутлива до розташування водневих зв’язків, що квантові ефекти мають значення. Дійсно, навіть крихітна перегрупування пари атомів водню може вплинути на реплікацію ДНК у макроскопічному масштабі.

«Цю тему цікаво вивчати, оскільки вона включає в себе поєднання методів та ідей з різних сфер науки», — розповідає Слокомб. Світ фізики. «Як правило, вони не конгруентні, і ми вимагаємо, щоб вони були такими, щоб точно моделювати систему. Нам потрібні знання як хімії, так і фізики, щоб моделювати системи, і, крім того, нам потрібно знати про біологію, про те, як реплікується ДНК і про наслідки, коли вона не збігається».

Дослідники, які звітують про свою роботу в Природа зв'язку, висловлюють надію, що їх дослідження «є першим з багатьох» на цю тему. «Що найбільше нас цікавить, — додає Слокомб, — це те, що відбувається в точний момент розщеплення ДНК і як часовий масштаб цієї взаємодії взаємодіє зі швидким часовим масштабом передачі водню».

Інші питання включають те, чи дає використання основ ATGC замість альтернативних форм ДНК певну еволюційну користь, оскільки перші є відносно нестабільними. Інший питання полягає в тому, чи ця нестабільність призводить до мутації, таким чином керуючи процесом еволюції. «Було б цікаво зрозуміти, чи існують якісь шляхи відновлення ДНК, спеціально розроблені для виявлення таких типів помилок», — підсумовує Слокомб.

Повідомлення Квантові ефекти допомагають зробити ДНК нестабільною вперше з'явився на Світ фізики.

• Coinsmart. Найкраща в Європі біржа біткойн та криптовалют.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. БЕЗКОШТОВНИЙ ДОСТУП.
• CryptoHawk. Альткойн Радар. Безкоштовне випробування.
• Джерело: https://physicsworld.com/a/quantum-effects-help-make-dna-unstable/