sekwencjonowanie-dna-rekord-guinessa
Mutacje DNA i mechanika kwantowa mają ze sobą wiele wspólnego

Mechanika kwantowa i mutacje DNA – co je łączy?

Każda komórka w naszym ciele się dzieli, ale proces ten nie jest idealny i może prowadzić do mutacji. Zdaniem naukowców, mechanizmy stojące za błędami podczas replikacji DNA może wyjaśnić mechanika kwantowa.

Zespół fizyków i chemików z Uniwersytetu Surrey postanowił w nieco inny sposób spojrzeć na mutacje DNA. Mechanizmy stojące za nimi mogą być ukryte w menadrach mechaniki kwantowej.

Warto przypomnieć, że nici podwójnej helisy DNA są połączone wiązaniami wodorowymi, które pełnią funkcję „kleju”. W normalnych warunkach zasady azotowe DNA (adenina, guanina, cytozyna i tymina) zajmują ściśle określone pozycje – adenina zawsze łączy się z tyminą, a cytozyna z guaniną. Jest to konsekwencją wiązań wodorowych – jeżeli te ulegną niewielkiej zmianie, może dojść do mutacji. Dopiero teraz udało się rozszyfrować ten proces dzięki zaawansowanym modelom komputerowym.

Czytaj też: Fizyka kwantowa – siedem faktów, które warto znać

Brytyjscy naukowcy, którzy są częścią programu badawczego zajmującego się biologią kwantową, wykazali, że modyfikacje wiążań między helisami DNA są częstsze niż się wydawało. Protony mogą z łatwością przeskoczyć ze swojego stałego miejsca po jednej stronie bariery energetycznej i wylądować po drugiej stronie. Jeśli stanie się to tuż przed rozplątaniem dwóch nici w pierwszym etapie procesu replikacji, błąd może przejść przez maszynerię replikacyjną w komórce, prowadząc do tzw. niedopasowania DNA i potencjalnie do mutacji.

Naukowcy z Uniwersytetu Surrey wykorzystali podejście zwane otwartymi systemami kwantowymi do określenia mechanizmów fizycznych, które mogą powodować przeskakiwanie protonów między nićmi DNA. Protony zdołały się przedostać na drugą stronę dzięki dobrze znanemu, ale niemal magicznemu mechanizmowi kwantowemu zwanemu tunelowaniem. Wcześniej wydawało się, że takie zachowania nie mogą wystąpić w ciepłym, złożonym środowisku żywej komórki. Sugerował to Erwin Schrödinger w 1944 r., ale potwierdzenia nie było. Aż do teraz.

Protony w DNA mogą tunelować wzdłuż wiązań wodorowych w DNA i modyfikować zasady, które kodują informację genetyczną. Zmodyfikowane zasady nazywane są „tautomeriami” i mogą przetrwać procesy rozszczepiania i replikacji DNA, powodując „błędy transkrypcji” lub mutacje.

Dr Louie Slocombe z Uniwersytetu Surrey

Biolodzy oczekiwali, że tunelowanie będzie odgrywać znaczącą rolę tylko w niskich temperaturach i w stosunkowo prostych układach. Z tego powodu zwykle nie uwzględniali efektów kwantowych w DNA. Wierzymy, że dzięki naszym badaniom udowodniliśmy, że te założenia nie są prawdziwe.

Dr Marco Sacchi

Szczegóły można przeczytać w Nature Communications Physics.