Prekvapivý počet genetických mutácií sa vyskytuje vďaka vtipu kvantovej fyziky

(Andrew Onufriyenko/Moment/Getty Images)

Chyby sa stávajú. Najmä pokiaľ ide o replikáciu rozsiahlych sekvencií DNA vo vnútri našich buniek. Je to tiež dobrá vec. Nebyť chýb v našich génoch, ktoré označujeme ako mutácie, prirodzený výber by bol zakázaný a život by bol vo vode mŕtvy.

Akokoľvek sú mutácie kľúčové pre všetko od chorôb po biodiverzitu, o fyzike tohto procesu vieme šokujúco málo.

Zistenia z University of Surrey v Spojenom kráľovstve oživili špekulácie, že primárnym spúšťačom za chemickým podvodom, ktorý spontánne zamieňa jednu kódovanú bázu za druhú, je kvantový charakter.



Konkrétne, významnou súčasťou procesu mutácie je vytesnenie jediného vodíka, ktorý spája genetické základy, aby vytvorili „priečky“ skrútenej štruktúry DNA. K tomu dochádza prostredníctvom procesu tunelovania, lámania väzieb medzi genetickými základmi guanínu a cytozínu v časovom rozmedzí, ktoré umožňuje trvalé zmeny.

Kvantové tunelovanieje prirodzeným dôsledkom neistoty v charakteristikách častice v obmedzených podmienkach.

Priblížte si subatomárny objekt, ako je protón, a jeho poloha sa stáva čoraz nejasnejšou.

Objekty v tomto meradle môžu teoreticky existovať za hranicami obmedzujúcej bariéry a zdá sa, že si „tunelujú“ cestu cez steny tak ľahko ako duch pohybujúci sa cez strašidelný dom.

Aj keď je to základná črta reality na kvantovej úrovni, to, ako sa vlastnosti častice prepletajú s inými časticami, ktoré sa tlačia v teplom, hlučnom prostredí, zaisťuje, že sa do makrovesmíru ľahko nedostane.

Alebo sme to dlho predpokladali.

'Biológovia by zvyčajne očakávali, že tunelovanie bude hrať významnú úlohu len pri nízkych teplotách a v relatívne jednoduchých systémoch,' hovorí chemik Marco Sacchi.

„Preto mali tendenciu znižovať kvantové efekty v DNA. Veríme, že našou štúdiou sme dokázali, že tieto predpoklady neplatia.“

Teoretické modelovanie zmeny väzieb medzi bázami guanínu a cytozínu spochybňuje niekoľko predpokladov týkajúcich sa chémie za touto bežnou formou mutácie.

Od prvých dní štúdia štruktúr a chémie DNA si vedci mysleli, že primárnou príčinou mutácie je translokácia vodíkov, ktoré sa viažu na protiľahlé vlákna DNA.

Tento pohyb môže zmeniť základňu na a tautomér – nová molekula s rovnakým tvarom ako predtým, ale s jemnou, odlišnou konfiguráciou prvkov.

Predpokladá sa, že vodíky preskakujú cez hranicu medzi vláknami prostredníctvom procesu nazývaného dvojitý prenos protónov, čo je akcia, ktorá prekvapivo vyzerá ako udalosť kvantového tunelovania.

Odhliadnuc od predpokladu, že biologické systémy sú príliš horúce a zaneprázdnené na to, aby došlo k takejto kvantovej udalosti, akýkoľvek dvojitý prenos protónov, ku ktorému dochádza týmto spôsobom, by mal byť vyriešený editačnými enzýmami bunky.

Pri pozornejšom pohľade na fyziku za procesom výskumníci preukázali v teplotných podmienkach typickej bunky, že kvantové efekty by mali spôsobovať bzučanie protónov tam a späť vysokou rýchlosťou, čo spôsobuje, že základne sa rozmazávajú do svojich tautomérov.

Keďže čas strávený ako tautomér je prchavý, replikačný mechanizmus kopírujúci reťazec DNA len ťažko rozpozná jeho prítomnosť.

Napriek tomu, ak tento proces vyústi do nejakého druhu nerovnováhy medzi bázami, posunu pomerov bázy a jej tautoméru nejakým spôsobom, je vysoko možné, že posun bude zablokovaný ako mutácia.

A čo viac, matematicky povedané, prítomnosť týchto strašidelných tautomérnych verzií každej bázy je dostatočne veľká na to, aby táto konkrétna kategória mutácií bola oveľa bežnejšia, než si uvedomujeme.

Budúce experimenty si budú vyžadovať potvrdenie predpovedí uskutočnených v štúdii, najmä pokiaľ ide o veci, ako sú rýchlosti preskakovania protónov pri rôznych teplotách.

Zostáva tiež preukázať, či kvantové efekty zohrávajú úlohu pri iných zmenách párov báz alebo dokonca pri iných druhoch mutácií.

Biológovia sa však pomaly prebúdzajú do úlohy kvantovej neistoty, ktorú hrá v rade biochemických procesov.

Je čoraz jasnejšie, že hranice kvantového vesmíru nie sú také pevné, ako by sme si predstavovali.

Tento výskum bol publikovaný v r Prírodné komunikácie .

O Nás

Publikácia Nezávislých, Osvedčených Skutočností O Správach O Zdraví, Priestore, Prírode, Technológii A Životnom Prostredí.