3D-modell av DNA. Kredit:Michael Ströck/Wikimedia/GNU Free Documentation License
Livets molekyler, DNA, replikerar med häpnadsväckande precision, men denna process är inte immun mot misstag och kan leda till mutationer. Med hjälp av sofistikerad datormodellering har ett team av fysiker och kemister vid University of Surrey visat att sådana fel vid kopiering kan uppstå på grund av kvantvärldens konstiga regler.
De två strängarna i den berömda DNA-dubbelhelixen är sammanlänkade av subatomära partiklar som kallas protoner - kärnorna av väteatomer - som tillhandahåller limet som binder samman molekyler som kallas baser. Dessa så kallade vätebindningar är som stegpinnarna på en vriden stege som utgör den dubbla helixstrukturen som upptäcktes 1952 av James Watson och Francis Crick baserat på Rosalind Franklins och Maurice Wilkins arbete.
Normalt följer dessa DNA-baser (kallade A, C, T och G) strikta regler för hur de binder samman:A binder alltid till T och C alltid till G. Denna strikta parning bestäms av molekylernas form, som passar ihop som bitar i en sticksåg, men om vätebindningarnas natur ändras något kan detta göra att parningsregeln går sönder, vilket leder till att fel baser kopplas ihop och därmed en mutation. Även om det förutspåtts av Crick och Watson, är det först nu som sofistikerad beräkningsmodellering har kunnat kvantifiera processen korrekt.
Teamet, en del av Surreys forskningsprogram inom det spännande nya området kvantbiologi, har visat att denna modifiering av bindningarna mellan DNA-strängarna är mycket vanligare än man hittills trott. Protonerna kan lätt hoppa från sin vanliga plats på ena sidan av en energibarriär för att landa på andra sidan. Om detta händer precis innan de två strängarna packas upp i det första steget av kopieringsprocessen, kan felet passera genom replikeringsmaskineriet i cellen, vilket leder till vad som kallas en DNA-felmatchning och, potentiellt, en mutation.
I en artikel som publicerades denna vecka i tidskriften Communications Physics , Surrey-teamet baserat i Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Center använde ett tillvägagångssätt som kallas öppna kvantsystem för att bestämma de fysiska mekanismerna som kan få protonerna att hoppa över mellan DNA-strängarna. Men det mest spännande är att det är tack vare en välkänd men nästan magisk kvantmekanism som kallas tunnling – besläktad med en fantom som passerar genom en solid vägg – som de lyckas ta sig över.
Man hade tidigare trott att ett sådant kvantbeteende inte kunde inträffa inuti en levande cells varma, våta och komplexa miljö. Den österrikiske fysikern Erwin Schrödinger hade dock föreslagit i sin bok från 1944 "Vad är liv?" att kvantmekaniken kan spela en roll i levande system eftersom de beter sig ganska annorlunda än livlös materia. Detta senaste arbete verkar bekräfta Schrödingers teori.
I sin studie fastställer författarna att den lokala cellulära miljön gör att protonerna, som beter sig som utspridda vågor, aktiveras termiskt och uppmuntras genom energibarriären. Faktum är att protonerna kontinuerligt och mycket snabbt tunnlar fram och tillbaka mellan de två strängarna. Sedan, när DNA klyvs i sina separata strängar, fångas några av protonerna på fel sida, vilket leder till ett fel.
Dr. Louie Slocombe, som utförde dessa beräkningar under sin doktorsexamen, förklarar att:"Protonerna i DNA:t kan tunnelera längs vätebindningarna i DNA och modifiera baserna som kodar för den genetiska informationen. De modifierade baserna kallas "tautomerer "och kan överleva DNA-klyvnings- och replikationsprocesserna, vilket orsakar "transkriptionsfel" eller mutationer."
Dr. Slocombes arbete vid Surrey's Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Center övervakades av Prof Jim Al-Khalili (fysik, Surrey) och Dr. Marco Sacchi (kemi, Surrey).
Prof Al-Khalili kommenterar:"Watson och Crick spekulerade om förekomsten och betydelsen av kvantmekaniska effekter i DNA för över 50 år sedan, men mekanismen har till stor del förbisetts."
Dr. Sacchi fortsätter:"Biologer förväntar sig vanligtvis att tunnelarbete spelar en betydande roll endast vid låga temperaturer och i relativt enkla system. Därför tenderade de att diskontera kvanteffekter i DNA. Med vår studie tror vi att vi har bevisat att dessa antaganden gör inte hålla." + Utforska vidare
