Tunelowanie kwantowe najczęstszą przyczyną mutacji genów 

Nietypowe zjawisko fizyczne, jakim jest tunelowanie kwantowe, może być najczęstszą przyczyną mutacji DNA. Poznanie wpływu zjawisk kwantowych na komórki może mieć fundamentalne znaczenie dla biologii molekularnej.  

.Część biologów zakładało, że nietypowe zjawiska kwantowe odgrywają niewielką rolę we wnętrzu komórki. Jak wynika z przeprowadzonej analizy teoretycznej wiązań chemicznych łączących DNA, tego typu efekty mogą występować znacznie częściej. Na łamach magazynu Scientific American opublikowano badania sugerujące, że to tunelowanie kwantowe może być najczęstszą przyczyną mutacji genów.

W swoim badaniu naukowcy skupili się na molekularnych „bazach”, tworzących szczeble łączące podwójne nici DNA oraz na wiązaniu wodorowym tworzącym się wokół protonu, którego zadaniem jest utrzymywanie dwóch stron szczebli razem. Badacze pod kierownictwem Louie Slocombe z University of Surrey w Anglii, opracowali model teoretyczny, który uwzględniał efekty kwantowe, dzięki którym proton związany z bazą cytozyny na jednej nici mógł spontanicznie „tunelować” i łączyć się z bazą guaniny na drugiej nici DNA. 

Zmieniona w ten sposób para zasad, nazwana tautomerem, może szybko wrócić do pierwotnego układu. Zdarza się jednak, że proton nie zdąży wrócić do czasu rozdzielenia się dwóch nici DNA. Wówczas cytozyna może związać się z inną zasadą, a nie guaniną. Takie nienaturalne sparowanie powoduje powstanie mutacji. Naukowcy wiedzieli od lat 50-tych, kiedy odkryto struktury DNA, że pary zasad mogą teoretycznie tworzyć tautomery. Tunelowanie kwantowe miało jednak ich zdaniem niewielkie znaczenie jako generator mutacji, ponieważ takie stany fizyczne trwają wyjątkowo krótko. 

Badacze z Communications Physics opublikowali model sugerujący, że proces kwantowy zachodzi dostatecznie często, by w danym momencie w genomie komórki pojawiły się setki tysięcy tautomerów. Struktury te są ulotne i krótkotrwałe, ale wiele z nich zachodzi z dostateczną częstotliwością, by stać się potencjalnie bogatym źródłem mutacji. Przedstawiony model sugeruje, że niestabilność kwantowo-mechaniczna może odgrywać znacznie większą rolę w mutacji DNA niż dotychczas sądzono. Naukowcy próbują ustalić, jak konkretne mechanizmy naprawcze radzą sobie z błędami kwantowymi. Zastanawiają się nad tym, ponieważ przewidywana liczba tautomerów jest tysiące razy większa niż całkowita liczba mutacji w każdym ludzkim pokoleniu. 

.Przeprowadzone badania mogą zdaniem naukowca z Sabancı University Nanotechnology Research and Application Center w Stambule, Gizmo Çelebi Torabfami „utorować drogę do badania różnych procesów tunelowania kwantowego w DNA i błonie komórkowej, co może mieć fundamentalne znaczenie w biologii molekularnej„. Badał on tunelowanie kwantowe i uważa, że badacze powinni rozważyć użycie szybkiego transferu pomiędzy dwoma zasadami DNA w patogenezie w powszechnych chorób. 

Oprac. Emil Gołoś