Kvantemekanikk kan forklare hvorfor DNA spontant kan mutere

Livets molekyler, DNA, replikeres med forbløffende presisjon, men denne prosessen er ikke immun mot feil og kan føre til mutasjoner. Ved hjelp av sofistikert datamodellering har et team av fysikere og kjemikere ved University of Surrey vist at slike feil ved kopiering kan oppstå på grunn av kvanteverdenens merkelige regler.

De to strengene til den berømte DNA-dobbelthelixen er koblet sammen av subatomære partikler kalt protoner – kjernene til hydrogenatomer – som gir limet som binder molekyler kalt baser sammen. Disse såkalte hydrogenbindinger er som trinnene på en vridd stige som utgjør dobbeltspiralen struktur oppdaget i 1952 av James Watson og Francis Crick basert på arbeidet til Rosalind Franklin og Maurice Wilkins.

Normalt følger disse DNA-basene (kalt A, C, T og G) strenge regler for hvordan de binder seg sammen: A binder seg alltid til T og C alltid til G. Denne strenge sammenkoblingen bestemmes av molekylenes form, og passer dem sammen som f.eks. brikker i en stikksag, men hvis naturen til hydrogenbindingene endres litt, kan dette føre til at sammenkoblingsregelen brytes ned, noe som fører til at feil baser kobles sammen og derav en mutasjon. Selv om det er spådd av Crick og Watson, er det først nå at sofistikert beregningsmodellering har vært i stand til å kvantifisere prosessen nøyaktig.

Teamet, en del av Surreys forskningsprogram innen det spennende nye feltet kvantebiologi, har vist at denne modifikasjonen i bindingene mellom DNA-trådene er langt mer utbredt enn man hittil har trodd. Protonene kan lett hoppe fra sitt vanlige sted på den ene siden av en energibarriere for å lande på den andre siden. Hvis dette skjer like før de to trådene pakkes ut i det første trinnet av kopieringsprosessen, kan feilen passere gjennom replikasjonsmaskineriet i cellen, og føre til det som kalles en DNA-mismatch og potensielt en mutasjon.

I en artikkel publisert denne uken i tidsskriftet Kommunikasjonsfysikk, brukte Surrey-teamet basert i Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Center en tilnærming kalt åpne kvantesystemer for å bestemme de fysiske mekanismene som kan få protonene til å hoppe over mellom DNA-trådene. Men det mest spennende er at det er takket være en velkjent, men nesten magisk kvantemekanisme kalt tunneling – i likhet med et fantom som passerer gjennom en solid vegg – at de klarer å komme seg over.

Det hadde tidligere vært antatt at slik kvanteatferd ikke kunne forekomme inne i en levende celles varme, våte og komplekse miljø. Imidlertid hadde den østerrikske fysikeren Erwin Schrödinger foreslått i sin bok fra 1944 “Hva er liv?” at kvantemekanikk kan spille en rolle i levende systemer siden de oppfører seg ganske annerledes enn livløs materie. Dette siste arbeidet ser ut til å bekrefte Schrödingers teori.

I sin studie fastslår forfatterne at det lokale cellulære miljøet fører til at protonene, som oppfører seg som spredte bølger, blir termisk aktivert og oppmuntret gjennom energibarrieren. Faktisk viser det seg at protonene kontinuerlig og veldig raskt tunnelerer frem og tilbake mellom de to strengene. Deretter, når DNA’et spaltes i sine separate tråder, blir noen av protonene fanget på feil side, noe som fører til en feil.

Dr. Louie Slocombe, som utførte disse beregningene under sin doktorgrad, forklarer at: “Protonene i DNA kan tunnelere langs hydrogenbindingene i DNA og modifisere basene som koder for den genetiske informasjonen. De modifiserte basene kalles “tautomerer “og kan overleve DNA-spalting og replikasjonsprosesser, forårsaker “transkripsjonsfeil” eller mutasjoner.”

Dr. Slocombes arbeid ved Surrey’s Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Center ble veiledet av Prof Jim Al-Khalili (fysikk, Surrey) og Dr. Marco Sacchi (kjemi, Surrey).

Prof Al-Khalili kommenterer: “Watson og Crick spekulerte om eksistensen og betydningen av kvantemekaniske effekter i DNA for godt over 50 år siden, men mekanismen har i stor grad blitt oversett.”

Dr. Sacchi fortsetter: “Biologer vil typisk forvente at tunnelering spiller en betydelig rolle bare ved lave temperaturer og i relativt enkle systemer. Derfor hadde de en tendens til å diskontere kvanteeffekter i DNA. Med vår studie mener vi at vi har bevist at disse antakelsene gjør det ikke holde.”

---

---