Квантовое туннелирование может вызвать случайные мутации ДНК

Известно, что ДНК регулярно мутирует, к лучшему или к худшему, вызывая как эволюцию, так и болезни. Исследователи из Университета Суррея нашли доказательства того, что некоторые из этих спонтанных мутаций могут быть вызваны областью квантовой механики.

ДНК приобретает свою знаменитую форму двойной спирали от молекул, называемых основаниями, которые соединяются посредством водородных связей. Эти основания, обозначаемые буквами A, C, T и G, обычно следуют строгим правилам о том, как они соединяются — связи A с T и связи C с G.

Но иногда эти водородные связи могут быть изменены, то есть основания могут образовывать пары с неправильным партнером. Это вызывает точечные мутации в ДНК, которые в основном безвредны, но иногда могут приводить к генетическим нарушениям.

В новом исследовании ученые обнаружили, что некоторые из этих модификаций могут происходить в результате странного явления квантовой физики, известного как квантовое туннелирование.

Для нас, живущих в мире классической физики, это звучит как научная фантастика, но иногда частицы могут спонтанно туннелировать (проходить) через барьеры, для преодоления которых у них не должно хватить энергии.

Подумайте об этом как о мяче, находящимся в долине. Классическая физика говорит, что для того, чтобы перебросить мяч на другую сторону холма, требуется определенное количество энергии, чтобы подтолкнуть его вверх и над холмом.

Но квантовая физика может позволить этому мячу (т. е. частице) внезапно «туннелировать» через холм по собственной воле и почти мгновенно появиться на другой стороне. Опять же, это звучит невероятно, но квантовое туннелирование — это хорошо задокументированное явление, которое происходит в ряде сценариев, таких как ядерный синтез.

В случае с мутациями ДНК ученые говорят, что частицы, осуществляющие туннелирование, представляют собой протоны внутри атомов водорода, которые могут перепрыгивать с одной стороны связи на другую.

Если им случится сделать это непосредственно перед тем, как две нити ДНК будут расщеплены в процессе репликации клеток, протоны могут застрять не на той стороне, что приведет к несоответствию ДНК и потенциальной мутации.

Идея о том, что это может произойти при мутации ДНК, впервые была высказана еще несколько десятилетий назад, но с тех пор этот механизм в значительной степени игнорировался. Это потому, что биологическая среда долгое время считалась слишком теплой и сложной для квантового туннелирования.

С химической точки зрения ДНК — длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Структура молекулы ДНК в целом получила традиционное, но ошибочное название «двойной спирали»: на самом деле, она является «двойным винтом». В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин (A), гуанин (G), тимин (T) и цитозин (C)). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин (A) соединяется только с тимином (T), гуанин (G) — только с цитозином (C). Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК.

Но в новом исследовании ученые обнаружили, что это не только происходит в этой среде, но тепло фактически активирует протоны для совершения прыжка.

Ученые использовали процесс, называемый открытыми квантовыми системами, для моделирования динамики процесса и показали, что протоны прыгают туда-сюда чаще, чем считалось ранее. Это говорит о том, что перенос протонов в результате квантового туннелирования играет более важную роль в генетических мутациях, чем обычно считается.

«Биологи обычно ожидают, что туннелирование будет играть значительную роль только при низких температурах и в относительно простых системах», — сказал доктор Марко Сакки, соавтор исследования. «Поэтому они склонны не учитывать квантовые эффекты в ДНК. Мы считаем, что в нашем исследовании мы доказали, что эти предположения неверны».

Ученые говорят, что если модель окажется верной, она может оказать широкое влияние на существующие модели генетических мутаций.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications Physics.