3D-модель ДНК. Авторы и права: Майкл Стрёк/Викимедиа/ Лицензия свободной документации GNU

Две нити знаменитой двойной спирали ДНК связаны друг с другом субатомными частицами, называемыми протонами — ядрами атомов водорода, — которые обеспечивают клей, связывающий вместе молекулы, называемые основаниями. Эти так называемые водородные связи подобны ступеням закрученной лестницы, образующей структуру двойной спирали, открытую в 1952 году Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком на основе работ Розалинды Франклин и Мориса Уилкинса.

Обычно эти основания ДНК (называемые A, C, T и G) следуют строгим правилам относительно того, как они связываются друг с другом: A всегда связывается с T, а C всегда с G. Это строгое спаривание определяется формой молекул, подгоняя их друг к другу, как части в мозаике, но если природа водородных связей немного изменится, это может привести к нарушению правила спаривания, что приведет к соединению неправильных оснований и, следовательно, к мутации. Хотя это было предсказано Криком и Уотсоном, только теперь сложное компьютерное моделирование смогло точно количественно оценить процесс.

Команда, являющаяся частью исследовательской программы Суррея в захватывающей новой области квантовой биологии, показала, что эта модификация связей между цепями ДНК гораздо более распространена, чем считалось до сих пор. Протоны могут легко перепрыгнуть со своего обычного места на одной стороне энергетического барьера и приземлиться на другой стороне. Если это произойдет непосредственно перед тем, как две нити будут распакованы на первом этапе процесса копирования, то ошибка может пройти через механизмы репликации в клетке, что приведет к тому, что называется несоответствием ДНК и, возможно, к мутации.

В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Communications Physics, команда из Суррея, базирующаяся в Учебном центре докторантуры по квантовой биологии Леверхалма, использовала подход, называемый открытыми квантовыми системами, для определения физических механизмов, которые могут заставить протоны прыгать между цепями ДНК. Но, что наиболее интригующе, именно благодаря хорошо известному, но почти волшебному квантовому механизму, называемому туннелированием, — подобно фантому, проходящему сквозь твердую стену, — им удается преодолеть.

Ранее считалось, что такое квантовое поведение не может происходить в теплой, влажной и сложной среде живой клетки. Однако австрийский физик Эрвин Шредингер предположил в своей книге 1944 года «Что такое жизнь?» что квантовая механика может играть роль в живых системах, поскольку они ведут себя иначе, чем неживая материя. Эта последняя работа, похоже, подтверждает теорию Шрёдингера.

В своем исследовании авторы определили, что локальная клеточная среда заставляет протоны, которые ведут себя как распространяющиеся волны, термически активироваться и преодолевать энергетический барьер. На самом деле было обнаружено, что протоны непрерывно и очень быстро туннелируют туда и обратно между двумя цепями. Затем, когда ДНК расщепляется на отдельные нити, часть протонов оказывается не на той стороне, что приводит к ошибке.

Доктор Луи Слокомб, который выполнил эти расчеты во время работы над докторской диссертацией, объясняет, что: «Протоны в ДНК могут туннелировать вдоль водородных связей в ДНК и модифицировать основания, которые кодируют генетическую информацию. Модифицированные основания называются «таутомерами» «и может пережить процессы расщепления и репликации ДНК, вызывая «ошибки транскрипции» или мутации».

Работой доктора Слокомба в Учебном центре докторантуры по квантовой биологии в Леверхалме в Суррее руководили профессор Джим Аль-Халили (физика, Суррей) и доктор Марко Сакки (химия, Суррей).

Профессор Аль-Халили комментирует: «Уотсон и Крик размышляли о существовании и важности квантово-механических эффектов в ДНК более 50 лет назад, однако этот механизм в значительной степени игнорировался».

Д-р Сакки продолжает: «Биологи, как правило, ожидают, что туннелирование будет играть значительную роль только при низких температурах и в относительно простых системах. Поэтому они, как правило, не принимают во внимание квантовые эффекты в ДНК. Мы считаем, что в нашем исследовании мы доказали, что эти предположения действительно важны. не удержать».