Мутации ДНК могут быть вызваны довольно странным, но хорошо известным квантовым механизмом, называемым туннелированием. Это бросает вызов представлению о том, что квантовое поведение не происходит в живых клетках и может сильно повлиять на наше понимание генетических мутаций.
ДНК хранит секреты жизни на земле. Его уникальная структура позволяет хранить, кодировать и преобразовывать химические сообщения в биологический материал и информацию. Эти генетические инструкции позволяют организмам воспроизводить, восстанавливать и передавать генетическую информацию от одного поколения к другому – и для этого ДНК должна реплицироваться.
За миллионы лет репликация ДНК стала чрезвычайно эффективной, редко совершая ошибки, поскольку существуют определенные механизмы «проверки» и «ремонта» для предотвращения потенциально вредных мутаций. Это не означает, что репликация ДНК невосприимчива к ошибкам – некоторые спонтанные мутации действительно происходят. Наше понимание механизма таких мутаций пока остается не полным.
Сообщая в журнале Nature Communications Physics, физики и химики из Университета Суррея говорят, что обнаружили возможный механизм.
“Уотсон и Крик размышляли о существовании и важности квантово-механических эффектов в ДНК более 50 лет назад, однако механизм был в значительной степени упущен из виду”, — говорит профессор Джим Аль-Халили в своем заявлении.
ДНК имеет двойную спиральную структуру – две нити генетического кода, содержащие четыре химических основания: тимин (T), аденин (A), гуанин (G) и цитозин (C). Эти химические основания имеют очень специфические способы взаимодействия и связывания друг с другом: T всегда связан с A, тогда как G всегда с C.
Существует два типа связей, которые удерживают спираль ДНК вместе: ковалентные взаимодействия и водородные связи между парами оснований. Когда происходит нарушение между этими связями, это может нарушить правило спаривания пар оснований и привести к неправильному основанию, вызывающему несоответствие и возможную мутацию.
В новом исследовании ученые обнаружили, что некоторые из этих несоответствий и модификаций ДНК могут возникать из-за квантового эффекта, известного как туннелирование, когда определенные частицы, такие как протоны, могут перепрыгивать через энергетический барьер, чтобы получить доступ к «запрещенной» области, где протон не будет найден нормально.
Ранее предполагалось, что квантовое поведение может быть невозможно в живых клетках из-за теплой среды.
“Биологи обычно ожидают, что туннелирование будет играть значительную роль только при низких температурах и в относительно простых системах. Поэтому они имели тенденцию сбрасывать со счетов квантовые эффекты в ДНК. В нашем исследовании мы считаем, что доказали, что эти предположения не верны ”, — говорит доктор Марко Сакки.
Используя сложные системы компьютерного моделирования, команда обнаружила, что протоны в атомах пар оснований ДНК могут использовать механизм туннелирования для очень быстрого перехода в разные области – иногда к противоположному основанию ДНК, где они прыгают взад и вперед между водородными связями. Когда эти протоны делают это, они могут иногда попадать на неправильную сторону основания, когда спираль ДНК начинает раскручиваться до начала репликации.
“Протоны в ДНК могут туннелировать вдоль водородных связей в ДНК и изменять основания, которые кодируют генетическую информацию. Модифицированные основания называются «таутомерами » и могут пережить процессы расщепления ДНК и репликации, вызывая «ошибки транскрипции » или мутации”, — подтверждает доктор Луи Слокомб, который выполнил эти вычисления во время своей докторской диссертации.
Эти результаты показывают, что квантовое туннелирование играет важную роль в мутациях ДНК и может изменить наше понимание, а также иметь далеко идущие последствия для генетических моделей мутаций в будущем.
Источник planet-today
