Квантовое туннелирование может вызвать случайные мутации ДНК

ДНК приобретает свою знаменитую форму двойной спирали от молекул, называемых основаниями, которые соединяются посредством водородных связей. Эти основания, обозначаемые буквами A, C, T и G, обычно следуют строгим правилам соединения — связи A с T и связи C с G. Но иногда эти водородные связи могут быть изменены, то есть основания могут образовывать пары с неправильным партнером. Это вызывает точечные мутации в ДНК, которые в основном безвредны, но иногда могут приводить к генетическим нарушениям.

В новом исследовании ученые из Суррея обнаружили, что некоторые из этих мутаций могут происходить в результате странного явления квантовой физики, известного как квантовое туннелирование. Для нас, живущих в мире классической физики, это звучит как научная фантастика, но иногда частицы могут спонтанно туннелировать через барьеры, для преодоления которых у них не должно хватить энергии.

Представьте это как мяч в долине. Классическая физика говорит, что для переброски мяча на другую сторону холма требуется определенное количество энергии, чтобы подтолкнуть его вверх и над холмом. Но квантовая физика может позволить этому мячу (т. е. частице) внезапно «туннелировать» через холм по собственной воле и почти мгновенно появиться на другой стороне. Опять же, это звучит невероятно, но квантовое туннелирование — это задокументированное явление, которое происходит в ряде сценариев, таких как ядерный синтез.

В случае с мутациями ДНК частицы, осуществляющие туннелирование, представляют собой протоны внутри атомов водорода, которые могут перепрыгивать с одной стороны связи на другую. Если им случится сделать это непосредственно перед тем, как две нити ДНК будут расщеплены в процессе репликации клеток, протоны могут оказаться в ловушке не на той стороне, что приведет к несоответствию ДНК и потенциальной мутации.

Идея о том, что это может произойти при мутации ДНК, впервые была высказана несколько десятилетий назад, но с тех пор этот механизм в значительной степени игнорировался. Это потому, что биологическая среда долгое время считалась слишком теплой и сложной для квантового туннелирования.

Но в новом исследовании ученые обнаружили, что это не только происходит в этой среде, но и тепло фактически активирует протоны для совершения прыжка. Команда использовала процесс открытых квантовых систем для моделирования динамики процесса и показала, что протоны прыгают туда-сюда чаще, чем считалось ранее. Это говорит о том, что перенос протона в результате квантового туннелирования играет более важную роль в генетических мутациях, чем обычно считают.

«Биологи обычно ожидают, что туннелирование будет играть значительную роль только при низких температурах и в относительно простых системах», — сказал доктор Марко Сакки, соавтор исследования. «Поэтому склонны не учитывать квантовые эффекты в ДНК. Мы считаем, что в нашем исследовании доказали, что эти предположения неверны».

По словам команды, если модель окажется верной, она может оказать широкое влияние на существующие модели генетических мутаций.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications Physics.