Ученые объяснили причину спонтанных мутаций ДНК законами квантовой механики
Механизм возникновения ошибки из-за туннельного эффекта в момент копирования ДНК, приводящий к мутации, воссоздало компьютерное моделирование, выполненное группой физиков и химиков из Университета Суррея, Великобритания, 5 мая сообщает пресс-служба университета.
Науке известно, что молекулы сохранения генетической информации, ДНК, воспроизводятся с поразительной точностью, однако этот процесс не застрахован от ошибок, что может приводить к мутациям. Модель ученых из Суррея показала, что такие сбои могут возникать как следствие физических эффектов квантового мира.
Две нити двойной спирали ДНК связаны друг с другом субатомными частицами — протонами (ядрами атомов водорода), связывающими молекулы ДНК, называемые основаниями. Эти связи, называемые водородными, образуют ступени закрученной лестницы — структуры двойной спирали ДНК.
Обычно эти основания ДНК (A, C, T и G) связаны друг с другом по строгому правилу: A всегда связывается с T, а C всегда с G. Такое соединение определяется формой молекул, которые подходят друг к другу, как части в мозаике, но если природа водородных связей немного изменится, это может привести к нарушению правила создания пар. Это приведет к соединению «не тех» оснований и, следовательно, к мутации.
Хотя такая гипотеза происхождения мутаций ДНК была высказана Криком и Уотсоном, открывателям структуры ДНК, еще в середине прошлого века, только теперь сложное компьютерное моделирование смогло точно количественно оценить этот процесс.
Команда участников исследовательской программы Суррея в области квантовой биологии продемонстрировала, что такая модификация связей между цепями ДНК гораздо более распространена, чем это считалось до сих пор.
Протоны в месте соединения нитей ДНК легко могут перепрыгнуть со своего обычного места на одной стороне энергетического барьера на его другую сторону. Если это произойдет прямо перед тем, как две нити будут распакованы на первом этапе процесса копирования при делении клетки, то ошибка может наложиться на механизмы репликации в клетке и привести к тому, что называется несоответствием ДНК и, возможно, к мутации.
В статье, опубликованной в журнале Nature Communications Physics, команда из Суррея из Учебного центра докторантуры по квантовой биологии в Леверхалме, описала подход, называемый открытыми квантовыми системами, для определения физических механизмов, которые могут заставить протоны прыгать между цепями ДНК.
В своем исследовании авторы определили, что клеточная среда заставляет протоны, которые ведут себя как распространяющиеся волны, термически активироваться и преодолевать энергетический барьер.
На самом деле было обнаружено, что протоны непрерывно и очень быстро туннелируют туда и обратно между двумя цепями. Затем, когда ДНК расщепляется на отдельные нити, часть протонов может оказаться не на той стороне, что и приводит к ошибке.
Доктор Луи Слокомб, который выполнял эти расчеты, рассказал: «Протоны в ДНК могут туннелировать вдоль водородных связей в ДНК и модифицировать основания, которые кодируют генетическую информацию. Модифицированные основания называются „таутомерами“ и могут пережить процессы расщепления и репликации ДНК, вызывая „ошибки транскрипции“ или мутации».
Доктор Сакки, под руководством которого велось исследование, пояснил: «Биологи обычно ожидают, что туннелирование будет играть значительную роль только при низких температурах и в относительно простых системах. Поэтому они, как правило, не принимали во внимание квантовые эффекты в ДНК. Мы считаем, что в нашем исследовании мы доказали, что эти предположения неверны».
