Всем известно, что ДНК постоянно мутирует, причем как в лучшую, так и в худшую сторону, определяя как эволюцию, так и болезни. Недавно ученые из Суррейского университета обнаружили доказательства того, что некоторые из этих геномных аномалий могут быть вызваны туннельным эффектом.
Авторы нового эксперимента утверждают, что причиной образования мутаций в дезоксирибонуклеиновой кислоте может быть удивительный квантово-механический эффект, более известный как эффект квантового туннелирования. Depositphotos
Свою уникальную структуру в ивде двойной спирали ДНК получила благодаря азотистым основаниям, которые соединяются друг с другом посредством водородных связей. Всего в ДНК присутствуют четыре типа азотсодержащих оснований - аденин (A), гуанин (G), тимин (T) и цитозин (C). Такие основания согласно принципу комплементарности образуют пары, аденин соединяется с тимином, а цитозин - с гуанином. Но иногда такие водородные связи могут меняться, образуя нестандартные пары. Это приводит к хромосомным мутациям, которые в большинстве безвредны, но в некоторых случаях могут привести к генетическим аномалиям.
В рамках нового эксперимента биофизики из Суррейского университета обнаружили, что такие нарушения могут возникать в результате удивительного явления квантовой механики, известной как эффект квантового туннелирования. Для нас, живущих здесь, в реальном мире, это звучит как научная фантастика, но иногда частицы могут спонтанно проникать через непроницаемые барьеры, для преодоления которых у них не должно хватить энергии.
Представим себе мяч, находящийся у подножья холма. Согласно законам классической физике, чтобы доставить его мяч на другую сторону возвышенности, требуется определенное количество энергии. Но в квантовой физике этот шар (т.е. частица) может внезапно "туннелировать" через холм и появиться на другой стороне почти мгновенно. И хотя это кажется чем-то невероятным, тем не менее, квантовое туннелирование — это хорошо задокументированное явление, которое возникает в различных сценариях, например, при ядерном синтезе.
По мнению ученых, частицы, осуществляющие туннелирование, — это протоны атомов водорода, которые перемещаются от одной цепочки ДНК к другой. Если это происходит непосредственно в момент расщепления связей ДНК, протоны могут застрять не на той стороне и стать причиной спонтанной мутации.
О возможности таких мутаций в ДНК впервые заговорили несколько десятилетий назад, но с тех пор этот механизм практически не рассматривался. Дело в том, что биологическая среда долгое время считалась слишком теплой, влажной и сложной для квантового эффекта.
Однако в новом исследовании учёные обнаружили, что более теплая среда организма фактически стимулирует протоны к совершению перехода. Для моделирования динамики этого процесса был использован подход открытых квантовых систем. (Открытые квантовые системы — это системы, которые могут обмениваться энергией и веществом с внешней средой). В результате было обнаружено, что протоны совершают прыжки гораздо чаще, чем считалось ранее. Это доказывает, что перенос протонов в результате квантового туннелирования играет очень важную роль в формировании генетических мутаций.
"Как правило, биологи считают, что туннельный эффект играет заметную роль исключительно при низких температурах и в сравнительно простых средах", - рассказывает д-р Марко Саччи, главный редактор эксперимента. "По этой причине они не учитывали влияние квантовых эффектов в эволюции ДНК. Благодаря нашему исследованию, мы доказали, что эти предположения в корне неверны".
По словам исследователей, если предложенная модель окажется верной, это не только откроет новые возможности для более детального описания клеточных механизмов, но и возможно изменит наше представление о существующих моделях генетических мутаций
Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications Physics.
На прошлой неделе в журнале Nature Aging были опубликованы результаты эксперимента, проведенного исследователями из Кембриджа, которые показали, что для оптимальной работы мозга в среднем и пожилом возрасте необходим семичасовой ночной сон.
Источники: University of Surrey, Journal Nature Communications Physics, Википедиа (https://www.nature.com/articles/s42005-022-00881-8)
(https://ru.wikipedia.org/wiki/Открытая_система_квантовая_механика)
(https://www.surrey.ac.uk/news/quantum-mechanics-could-explain-why-dna-can-spontaneously-mutate)
