Сложность всего живого на Земле основана в первую очередь на точности генетической информации, заключенной в каждой клетке, из которой она состоит. Однако такая точность иногда подвержена ошибкам, которые могут привести к несовместимости или мутациям в ДНК. Если природа водородных связей между парами оснований меняется очень незначительно, может возникнуть несоответствие. Считается, что квантовый туннельный эффект вовлечен в эти «аварии» связи, которые происходят чаще, чем предполагалось ранее. Компьютерное моделирование, проведенное Университетом Суррея, позволило впервые продемонстрировать участие квантовой механики в репликации ДНК — явлении, предсказанном в 1950-х годах генетиками Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком.
Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик были вдохновлены работой Розалинд Франклин и Мориса Уилкинса за открытие структуры двойной спирали ДНК в 1952 году. Две нити, составляющие эту спиральную и сверхсложную структуру, удерживаются вместе протонами, доставляемыми атомами водорода. Эти атомы составляют, помимо прочего, перекладины, с помощью которых молекулярные основания связываются друг с другом по строгому универсальному правилу: аденин (A) всегда связывается с тимином (T), а цитозин (C) всегда связывается с гуанином (G). Это сопряжение регулируется формой каждого основания, так что благодаря водородной связи они подходят друг другу, как кусочки пазла.
Дефект водородной связи может нарушить этот строгий баланс, вызывая неправильное сочетание пар оснований, что приводит к так называемой несовместимости ДНК. Естественные мутации совершенно случайны и непредсказуемы, но частота их возникновения может быть увеличена эндогенными или экзогенными факторами (генетическое наследование от родителей, химические или физические агенты и т.д.). В настоящее время мутации также могут быть искусственно вызваны с помощью методов редактирования генов, таких как CRISPR-Cas9.
Новое исследование, опубликованное в журнале , посвящено естественным мутациям и анализирует возможности несовпадений между основаниями гуанина (G) и цитозина (C). По мнению авторов, перенос протонов по водородным связям в неправильном месте может угрожать стабильности всей структуры нити ДНК. «Уотсон и Крик предположили существование и важность квантовых эффектов в ДНК более 50 лет назад. Однако этот механизм в значительной степени упускался из виду«, — объясняет в своем заявлении Джим Аль-Халили, физик из Университета Суррея и руководитель исследования.
Затем исследовательская группа использовала подход «открытой квантовой системы» для определения и моделирования физических механизмов, которые могут заставить протоны «прыгать» между нитями ДНК.
Протоны в неправильном месте
По мнению исследовательской группы из Суррея, несовпадения нитей ДНК происходят чаще, чем считалось ранее. Хотя считалось, что это очень редкая биологическая случайность, протоны на самом деле могут легко «перепрыгивать» со своего обычного места на другую сторону энергетического барьера. Если этот «скачок» происходит непосредственно перед распаковкой двух нитей на обычном первом этапе копирования, ошибка может распространиться через большую часть механизма репликации клетки, что приведет к несовместимости ДНК и, возможно, к мутации.
Одна из причин, по которой такое смещение протонов может быть обычным, заключается в том, что в основном местная среда (внутри клетки) вызывает термическую активацию протонов и стимулирует преодоление энергетического барьера. Более того, эти протоны будут очень быстро и непрерывно перемещаться туда и обратно между двумя нитями. А когда две нити разделяются на одиночные, некоторые протоны оказываются не на той стороне и вызывают ошибки репликации.
Преодоление этого энергетического барьера возможно благодаря эффекту квантового туннелирования — механизму, который касается субатомных частиц (протонов, электронов, нейтронов и т.д.) и который позволяет им пересекать барьер, который должен быть непроходимым. Чтобы получить более четкое представление: это как если бы маленький предмет, заключенный в коробку, мог выйти наружу, не открывая ее и не деформируя, или как если бы он мог прислониться к стене и пройти сквозь нее, не повредив ее.
«Протоны ДНК могут туннелировать вдоль водородных связей ДНК и изменять основания, которые кодируют генетическую информацию«, — говорит Луи Слокомб, ведущий автор исследования и научный сотрудник Центра подготовки докторов наук по квантовой биологии в Суррее. По словам эксперта, эти модифицированные основания, известные как таутомеры (пара изомеров с взаимопревращающимися конституциями, в которых мигрирует атом водорода), могут выживать в процессах расщепления и репликации ДНК, вызывая ошибки транскрипции или мутации.
Кроме того, ранее считалось, что квантовое туннелирование не может происходить в теплой, влажной и сложной среде живой клетки. В частности, она всегда наблюдалась в низкотемпературных средах, поэтому квантовым эффектам в ДНК долгое время не придавали значения, считают авторы исследования.