Οι αυθόρμητες μεταλλάξεις του DNA θα μπορούσαν να ερμηνευθούν από την κβαντομηχανική

Οι δύο αλυσίδες της γνωστής διπλής έλικας του DNA συνδέονται μεταξύ τους μέσω υποατομικών σωματιδίων που ονομάζονται πρωτόνια –οι πυρήνες των ατόμων υδρογόνου– τα οποία παρέχουν την κόλλα η οποία συνδέει, μεταξύ τους, τα μόρια που ονομάζονται βάσεις. Αυτοί οι λεγόμενοι δεσμοί υδρογόνου μοιάζουν με τα σκαλοπάτια μιας περιστρεφόμενης σκάλας, τα οποία συνθέτουν την δομή της διπλής έλικας, που ανακάλυψαν το 1952 οι James Watson και Francis Crick, βασιζόμενοι στο έργο των Rosalind Franklin και Maurice Wilkins.

Κανονικά, αυτές οι βάσεις του DNA (που ονομάζονται A, C, T και G) συνδέονται μεταξύ τους ακολουθώντας αυστηρούς κανόνες: Η A συνδέεται πάντα με την T και η C πάντα με την G. Ο αυστηρός αυτός κανόνας σύνδεσης καθορίζεται από το σχήμα των μορίων, ταιριάζοντάς τα μεταξύ τους όπως τα κομμάτια ενός παζλ. Παρ’ όλα αυτά, εάν η φύση των δεσμών υδρογόνου υποστεί μία ελάχιστη μεταβολή, ο κανόνας μπορεί να πάψει να ισχύει, οδηγώντας σε σύνδεση των λάθος βάσεων και ως εκ τούτου σε μετάλλαξη. Παρά το ότι είχε προβλεφθεί από τους Crick και Watson, χρειάστηκε να περιμένουμε έως σήμερα για να μπορέσουμε, μέσω εξελιγμένων μεθόδων προσομοίωσης, να ποσοτικοποιήοσυμε με ακρίβεια την διαδικασία αυτή.

Η επιστημονική ομάδα, που αποτελεί μέρος του ερευνητικού προγράμματος του Surrey στο νέο συναρπαστικό πεδίο της κβαντικής βιολογίας, έδειξε ότι η μεταβολή αυτή, στη σύνδεση μεταξύ των αλυσίδων του DNA εμφανίζεται πολύ πιο συχνά από ότι πιστευόταν έως τώρα. Τα πρωτόνια μπορούν εύκολα να μετακινηθούν από τη συνηθισμένη τους θέση στη μία πλευρά ενός φράγματος δυναμικού και να βρεθούν στην άλλη πλευρά. Εάν συμβεί αυτό λίγο πριν την αποσύμπλεξη των δύο αλυσίδων, κατά το πρώτο βήμα της διαδικασίας αντιγραφής, τότε το σφάλμα μπορεί να διαδοθεί μέσω του μηχανισμού αναπαραγωγής στο κύτταρο, οδηγώντας σε αυτό που ονομάζεται αναντιστοιχία DNA (DNA mismatch) και, δυνητικά, σε μετάλλαξη.

Η ομάδα του Surrey, που εδρεύει στο Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Center, σε μία πρόσφατη δημοσίευσή της στο περιοδικό “Nature Communications Physics”, χρησιμοποίησε μια προσέγγιση που ονομάζεται “ανοιχτά κβαντικά συστήματα” (open quantum systems), για να προσδιορίσει τους φυσικούς μηχανισμούς που μπορεί να προκαλέσουν την μεταπήδηση των πρωτονίων  μεταξύ των αλυσίδων του DNA. Αλλά, το πιο εντυπωσιακό, είναι πως η μεταπήδηση αυτή είναι εφικτή λόγω ενός ιδιαιτέρως γνωστού κβαντικού μηχανισμού, που ονομάζεται “φαινόμενο σήραγγας”, ο οποίος φαντάζει σχεδόν μαγικός, αφού το ανάλογο της μετακίνησης των πρωτονίων στην απέναντι πλευρά, στον μακρόκοσμο, θα έμοιαζε με ένα φάντασμα που περνά μέσα από ένα συμπαγή τοίχο.

Στο παρελθόν θεωρήθηκε πως μια τέτοια κβαντική διαδικασία δεν θα μπορούσε να λάβει χώρα, μέσα στο ζεστό, υγρό και πολύπλοκο περιβάλλον ενός ζωντανού κυττάρου. Ωστόσο, ο Αυστριακός φυσικός Erwin Schrödinger, στο βιβλίο του “What is Life;” (1944), είχε προτείνει ότι η κβαντομηχανική μπορεί να παίξει ρόλο στα ζωντανά συστήματα αφού αυτά συμπεριφέρονται μάλλον διαφορετικά από την άψυχη ύλη. Φαίνεται, τελικά, πως η θεωρία του Schrödinger επιβεβαιώνεται από την πρόσφατη αυτή εργασία.

Οι συγγραφείς, στη μελέτη τους, προσδιορίζουν ότι το περιβάλλον του κυττάρου είναι αυτό που κάνει τα πρωτόνια, τα οποία συμπεριφέρονται σαν διαδκορπισμένα κύματα, να ενεργοποιηθούν θερμικά και να ωθηθούν να περάσουν μέσα από το φράγμα δυναμικού. Για την ακρίβεια, βρέθηκε ότι τα πρωτόνια μετακινούνται διαρκώς και ταχύτατα, μπρος και πίσω, μεταξύ των δύο αλυσίδων, μέσω του φαινομένου της σήραγγας. Στη συνέχεια, όταν το DNA διασπάται στις ξεχωριστές αλυσίδες του, μερικά από τα πρωτόνια εγκλωβίζονται στη λάθος πλευρά, οδηγώντας σε σφάλμα.

Ο επιστήμονας που εκτέλεσε τους υπολογισμούς αυτούς κατά τη διάρκεια του διδακτορικού του, ο Δρ Louie Slocombe, εξηγεί ότι:
«Τα πρωτόνια στο DNA μπορούν να διασχίσουν την “σήραγγα” κατά μήκος των δεσμών υδρογόνου στο DNA και να τροποποιήσουν τις βάσεις που κωδικοποιούν τη γενετική πληροφορία. Οι τροποποιημένες βάσεις ονομάζονται “ταυτομερείς (tautomers)” και μπορούν να επιβιώσουν κατά τις διαδικασίες διάσπασης και αντιγραφής του DNA, προκαλώντας “λάθη μεταγραφής” ή μεταλλάξεις.»

Επιβλέποντες της εργασίας του Dr Slocombe στο “Surrey’s Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Centre”, η οποία δημοσιεύτηκε στο “Communications Physics”, ήταν ο καθηγητής Jim Al-Khalili (Φυσική, Surrey) και ο Δρ. Marco Sacchi (Χημεία, Surrey)

Ο καθηγητής Al-Khalili σχολιάζει:
«Οι Watson και Crick είκαζαν περί της ύπαρξης και της σημασίας των κβαντομηχανικών επιδράσεων στο DNA, εδώ και περισσότερα από 50 χρόνια, ο ίδιος ο μηχανισμός, ωστόσο, παραβλέφθηκε σε μεγάλο βαθμό».

Ο Δρ Sacchi συνεχίζει:
«Οι βιολόγοι τυπικά θα ανέμεναν ότι το φαινόμενο σήραγγας θα μπορούσε να διαδραματίσει σημαντικό ρόλο, μόνο σε χαμηλές θερμοκρασίες και σε σχετικά απλά συστήματα. Ως εκ τούτου, έτειναν να παραβλέπουν τα κβαντικά αποτελέσματα στο DNA. Πιστεύουμε ότι, με τη μελέτη μας, αποδείξαμε πως αυτές οι υποθέσεις δεν ισχύουν».

Πηγή: https://www.surrey.ac.uk