La mecànica quàntica podria explicar per què l’ADN pot mutar espontàniament


ADN

Model 3D d’ADN. Crèdit: Michael Ströck/Wikimedia/ Llicència de documentació lliure GNU

Les molècules de la vida, l’ADN, es repliquen amb una precisió sorprenent, però aquest procés no és immune als errors i pot provocar mutacions. Utilitzant un sofisticat modelatge informàtic, un equip de físics i químics de la Universitat de Surrey ha demostrat que aquests errors en la còpia poden sorgir a causa de les estranyes regles del món quàntic.

Les dues cadenes de la famosa doble hèlix d’ADN estan unides entre si per partícules subatòmiques anomenats protons, els nuclis dels àtoms d’hidrogen, que proporcionen la cola que uneix les molècules anomenades bases. Aquests anomenats ponts d’hidrogen són com els esglaons d’una escala retorçada que constitueix el doble hèlix estructura descoberta l’any 1952 per James Watson i Francis Crick a partir del treball de Rosalind Franklin i Maurice Wilkins.

Normalment, aquestes bases d’ADN (anomenades A, C, T i G) segueixen regles estrictes sobre com s’uneixen entre elles: A sempre s’uneix a T i C sempre a G. Aquest aparellament estricte està determinat per la forma de les molècules, encaixant-les com peces en un trencaclosques, però si la naturalesa dels enllaços d’hidrogen canvia lleugerament, això pot provocar que la regla d’aparellament es trenqui, provocant que les bases equivocades s’uneixin i, per tant, una mutació. Tot i que Crick i Watson ho van predir, és només ara que el modelat computacional sofisticat ha estat capaç de quantificar el procés amb precisió.

L’equip, que forma part del programa d’investigació de Surrey en l’apassionant nou camp de la biologia quàntica, ha demostrat que aquesta modificació en els enllaços entre les cadenes d’ADN és molt més freqüent del que s’havia pensat fins ara. Els protons poden saltar fàcilment des del seu lloc habitual en un costat d’una barrera energètica per aterrar a l’altre costat. Si això passa just abans de descomprimir les dues cadenes en el primer pas del procés de còpia, aleshores l’error pot passar per la maquinària de replicació de la cèl·lula, provocant el que s’anomena un desajust d’ADN i, potencialment, una mutació.

En un article publicat aquesta setmana a la revista Física de les comunicacions, l’equip de Surrey amb seu al Centre de Formació Doctoral en Biologia Quàntica de Leverhulme va utilitzar un enfocament anomenat sistemes quàntics oberts per determinar els mecanismes físics que podrien fer que els protons saltessin entre les cadenes d’ADN. Però, el més intrigant, és gràcies a un mecanisme quàntic conegut però gairebé màgic anomenat túnel, semblant a un fantasma que passa per una paret sòlida, que aconsegueixen travessar.

Abans s’havia pensat que aquest comportament quàntic no podia ocórrer dins de l’entorn càlid, humit i complex d’una cèl·lula viva. Tanmateix, el físic austríac Erwin Schrödinger havia suggerit en el seu llibre de 1944 “Què és la vida?” que la mecànica quàntica pot tenir un paper en els sistemes vius, ja que es comporten de manera força diferent de la matèria inanimada. Aquest darrer treball sembla confirmar la teoria de Schrödinger.

En el seu estudi, els autors determinen que l’entorn cel·lular local fa que els protons, que es comporten com ones esteses, s’activin tèrmicament i s’encoratgin a través de la barrera energètica. De fet, es troba que els protons estan fent túnels contínuament i molt ràpidament entre les dues cadenes. Aleshores, quan l’ADN es divideix en les seves cadenes separades, alguns dels protons queden atrapats pel costat equivocat, provocant un error.

El doctor Louie Slocombe, que va realitzar aquests càlculs durant el seu doctorat, explica que: “Els protons de l’ADN poden fer un túnel al llarg dels enllaços d’hidrogen de l’ADN i modificar les bases que codifiquen la informació genètica. Les bases modificades s’anomenen “tautòmers”. ” i pot sobreviure als processos de clivage i replicació de l’ADN, provocant “errors de transcripció” o mutacions”.

El treball del Dr. Slocombe al Centre de Formació Doctoral en Biologia Quàntica Leverhulme de Surrey va ser supervisat pel professor Jim Al-Khalili (Física, Surrey) i el Dr. Marco Sacchi (Química, Surrey).

El professor Al-Khalili comenta: “Watson i Crick van especular sobre l’existència i la importància dels efectes de la mecànica quàntica a l’ADN fa més de 50 anys, però, el mecanisme s’ha passat per alt en gran mesura”.

El Dr. Sacchi continua: “Els biòlegs normalment esperarien que els túnels tinguessin un paper important només a baixes temperatures i en sistemes relativament senzills. Per tant, tendien a descomptar els efectes quàntics en l’ADN. Amb el nostre estudi, creiem que hem demostrat que aquestes suposicions ho fan. no aguantar”.


Un nou estudi revela que la física quàntica pot provocar mutacions en el nostre ADN


Més informació:
Un enfocament de sistemes quàntics oberts per al túnel de protons a l’ADN, Física de les comunicacions (2022). DOI: 10.1038/s42005-022-00881-8 , www.nature.com/articles/s42005-022-00881-8

Proporcionat per
Universitat de Surrey


Citació: La mecànica quàntica podria explicar per què l’ADN pot mutar espontàniament (2022, 5 de maig) recuperat el 5 de maig de 2022 de https://phys.org/news/2022-05-quantum-mechanics-dna-spontaneously-mutate.html

Aquest document està subjecte a drets d’autor. A part de qualsevol tracte just amb finalitats d’estudis o investigacions privats, no es pot reproduir cap part sense el permís per escrit. El contingut es proporciona només amb finalitats informatives.