Квантовый эффект может быть причиной спонтанных мутаций ДНК
Сложность каждого живого организма на Земле основана в первую очередь на точности генетической информации, заключенной в каждой клетке, из которой он состоит. Однако такая точность подвержена ошибкам, которые могут привести к несовместимости ДНК и мутациям. Несоответствия могут возникнуть, если природа водородной связи между парами оснований изменится совсем незначительно. Считается, что квантовое туннелирование ответственно за эти «аварии» в связи, которые происходят чаще, чем предполагалось ранее. Компьютерное моделирование, проведенное в Университете Суррея, впервые продемонстрировало участие квантовой механики в репликации ДНК. Это явление было предсказано Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком в 1950-х годах.
Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик были вдохновлены работой Розалинд Франклин и Мориса Уилкинса, которые в 1952 году открыли структуру двойной спирали ДНК. Две нити, составляющие эту спиральную и сверхсложную структуру, удерживаются вместе протонами, поставляемыми атомами водорода. Эти атомы образуют перекладину, в которой молекулярные основания, в частности, связаны друг с другом по строгим универсальным правилам. Аденин (a) всегда связан с тимином (t), а цитозин (c) — с гуанином (g). Эта конъюгация регулируется формой каждого основания. Это происходит благодаря водородным связям, которые складываются вместе, как пазл.
Дефекты в водородных связях могут нарушить этот строгий баланс и привести к неправильным комбинациям пар оснований, что приводит к несовместимости ДНК, называемой SO. Естественные мутации совершенно случайны и непредсказуемы, но частота их возникновения может быть увеличена под воздействием внутренних или внешних факторов (например, генетической наследственности от родителей, химических веществ или физических агентов). Теперь мутации можно вызывать искусственно, используя методы редактирования генов, такие как CRISPR-Cas9.
Читайте также: Происхождение жизни на Земле: туннельный эффект (из квантовой механики) может быть ключом к разгадке
В отличие от своих соседей, Земля является домом для многих столь же сложных форм жизни. Однако ее происхождение остается загадкой. Многие исследования..
Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Communications Physics, посвящено спонтанным мутациям и анализирует возможные несоответствия между основой гуанина (G) и цитозина (C). По мнению авторов, перенос протонов на водородные связи в неправильном месте может угрожать общей структурной стабильности нити ДНК. «Уотсон и Крик предположили существование и важность квантовых эффектов в ДНК более 50 лет назад. Однако этот механизм в значительной степени был упущен из виду», — сказал руководитель исследования физик Джим Аль Халили из Университета Суррея. Заявление.
Затем исследовательская группа использовала подход «открытых квантовых систем» для определения и моделирования физических механизмов, которые могут заставить протоны «прыгать» между нитями ДНК.
Протоны в неправильном месте
По данным исследовательской группы из Суррея, несоответствия в нитях ДНК встречаются чаще, чем считалось ранее. Считалось, что это очень редкая биологическая случайность, но на самом деле протоны могут легко «перепрыгнуть» со своего обычного места на другую сторону энергетического барьера. Если этот «прыжок» происходит непосредственно перед распаковкой двух нитей на обычном первом этапе копирования, ошибка распространяется на большинство клеточных механизмов репликации, что приводит к несовместимости ДНК и, возможно, к мутациям.
Одна из причин такого замещения протонов заключается в том, что локальная среда (обычно в клетке) стимулирует преодоление энергетических барьеров, вызывая тепловую активацию протонов. Кроме того, эти протоны перемещаются очень быстро и непрерывно, возвращаясь между двумя нитями. Также, когда две нити разделяются на одну, некоторые протоны не попадают на сторону, что приводит к ошибкам репликации.
Эффект квантового туннелирования позволяет преодолеть этот энергетический барьер. Это механизм, который позволяет субатомным частицам (протонам, электронам, нейтронам и т.д.) соприкасаться и проходить через барьер, через который они не должны проходить. Проще говоря, это похоже на небольшой предмет в коробке, который можно прислонить к стене, не причиняя ему вреда, не открывая и не деформируя коробку и не наклоняя ее к стене.
«Протоны ДНК закольцовывают водородные связи в ДНК, потенциально изменяя основу, на которой закодирована генетическая информация», — говорит Льюис Слокомб, ведущий автор исследования и научный сотрудник посткласса в Учебном центре подготовки врачей квантовой биологии в Суррее. Известные как таутерианы (атомы водорода — транскрибируемые интерконфигурации и пейсомеры) могут выживать во время деградации и репликации ДНК, вызывая ошибки транскрипции или мутации, говорят эксперты.
Кроме того, ранее считалось, что квантовое туннелирование не происходит в теплой, влажной и сложной среде живой клетки. В частности, авторы исследования считают, что квантовым эффектам в ДНК долгое время не придавали значения.
