Quantum Tunneling gör DNA mer instabilt


Många biologer antar att bisarra kvantfenomen spelar en relativt försumbar roll inuti cellen. En nyligen genomförd teoretisk analys av de kemiska bindningarna som håller DNA samman, tyder dock på att dessa effekter kan inträffa mycket oftare än man en gång trodde – och fungera som en viktig källa till genetiska mutationer.

Forskare under ledning av Louie Slocombe från University of Surrey i England fokuserade på de molekylära “baserna” som utgör stegpinnarna som länkar DNA:s dubbla strängar och vätebindningen, bildad med en proton, som håller de två sidorna av dessa stegpinnar samman. Deras teoretiska modell inkorporerade kvanteffekterna som gör att en proton, bunden till bascytosinet på en sträng, spontant “tunnel” och ansluter till guaninbasen på den andra.

Ett sådant förändrat baspar, känt som en tautomer, kan snabbt hoppa tillbaka till sitt ursprungliga arrangemang. Men om protonen inte kommer tillbaka när de två DNA-strängarna separeras – det första steget av DNA-replikation – kan cytosinet binda till en annan bas, adenin, snarare än guanin. Denna onaturliga parning skapar en mutation.

Forskare har vetat sedan upptäckten av DNA:s struktur på 1950-talet att baspar i teorin kan producera tautomerer. Men de trodde att kvanttunnelering skulle ha liten relevans som en mutationsgenerator på grund av den utomordentligt korta livslängden för dessa fysiska tillstånd.

Forskarnas modell rapporterade i Kommunikationsfysik, antyder dock att kvantprocessen sker så ofta att hundratusentals tautomerer vid varje given tidpunkt kan finnas närvarande i en cells genom. Så även om dessa strukturer är flyktiga, dyker så många på plats så ofta att de blir en potentiellt rik källa till mutationer. Denna modell antyder att kvantmekanisk instabilitet “mycket kan spela en mycket viktigare roll i DNA-mutation än vad som hittills har föreslagits”, skriver författarna. Teamet undrar hur specifika reparationsmekanismer hanterar sådana kvantfel, med tanke på att det förutsagda antalet tautomerer är tusentals gånger större än det totala antalet mutationer i varje mänsklig generation.

Detta arbete skulle potentiellt kunna “bana väg för att undersöka olika kvanttunnelprocesser i DNA och cellmembranet som kan ha grundläggande betydelse inom molekylärbiologin”, säger Gizem Çelebi Torabfam, en forskare vid Sabancı University Nanotechnology Research and Application Center i Istanbul, som har studerat kvanttunneldrivning men var inte involverad i detta arbete. “Vi bör också överväga ultrasnabb överföring mellan två DNA-baser i patogenesen av vanliga sjukdomar.”

Leave a Comment

Your email address will not be published.