Многие биологи полагают, что причудливые квантовые явления играют относительно незначительную роль внутри клетки.
Однако недавний теоретический анализ химических связей, удерживающих нити ДНК вместе, позволяет предположить, что эти эффекты могут возникать гораздо чаще, чем считалось ранее, и выступать в качестве основного источника генетических мутаций.
Исследователи под руководством Луи Слокомба из Университета Суррея в Англии сосредоточили внимание на молекулярных основаниях, составляющих перекладины, соединяющие двойные нити ДНК, и водородной связи, образованной протонами, которая удерживает обе стороны этих нитей вместе. Их теоретическая модель включает квантовые эффекты, которые позволяют протону, связанному с основанием цитозина на одной нити, спонтанно "туннелировать" и соединяться с основанием гуанина на другой. Такая измененная пара оснований, известная как таутомер, может быстро вернуться к своему первоначальному расположению. Но если протон не успеет вернуться к моменту разделения двух нитей ДНК - первому шагу репликации ДНК - цитозин может соединиться с другим основанием, аденином, а не гуанином. Такое неестественное сопряжение приводит к возникновению мутации.
С момента открытия структуры ДНК в 1950-х годах ученые знали, что пары оснований теоретически могут образовывать таутомеры. Но они считали, что квантовое туннелирование мало подходит для создания мутаций из-за чрезвычайно короткого времени жизни этих физических состояний. Однако модель исследователей, представленная в журнале Communications Physics, предполагает, что квантовый процесс происходит так часто, что в любой момент времени в геноме клетки могут присутствовать сотни тысяч таутомеров. Таким образом, даже если эти структуры мимолетны, они появляются так часто, что становятся потенциально богатым источником мутаций. Эта модель предполагает, что квантово-механическая нестабильность "вполне может играть гораздо более важную роль в мутациях ДНК, чем предполагалось до сих пор", - пишут авторы. Авторы задаются вопросом, как конкретные механизмы восстановления справляются с такими квантовыми ошибками, учитывая, что предполагаемое число таутомеров в тысячи раз превышает общее число мутаций в каждом человеческом поколении.
Эта работа потенциально может "проложить путь к изучению различных процессов квантового туннелирования в ДНК и клеточной мембране, которые могут иметь фундаментальное значение в молекулярной биологии", - говорит Гизем Челеби Торабфам, ученый из Университета Сабанчи в Стамбуле, который изучал квантовое туннелирование, но не участвовал в этой работе. "Кроме того, мы должны учитывать сверхбыстрый перенос между двумя основаниями ДНК в патогенезе распространенных заболеваний".
