Το κβαντικό φαινόμενο σήραγγας κάνει το DNA πιο ασταθές

Το παράξενο φυσικό φαινόμενο της κβαντικής σήραγγας μπορεί να προκαλέσει μεταλλάξεις γονιδίων

 

 

Το DNA είναι ένα δίκλωνο μόριο που σχηματίζει μια διπλή έλικα. Οι δύο κλώνοι ενώνονται μεταξύ τους με δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των αζωτούχων βάσεων (A, T, G, C) που περιέχονται στα νουκλεοτίδια. Αδενίνη (Α) και Θυμίνη (Τ) ενώνονται με 2 δεσμούς υδρογόνου, ενώ Γουανίνη (G) και Κυτοσίνη (C) με 3 δεσμούς υδρογόνου. Οι διακεκομένες γραμμές αντιπροσωπεύουν δεσμούς υδρογόνου

Οι βιολόγοι υποθέτουν ότι τα περίεργα (και εντελώς ακατανόητα στους περισσότερους) κβαντικά φαινόμενα παίζουν έναν σχετικά αμελητέο ρόλο μέσα στο κύτταρο. Όμως σύμφωνα με μια πρόσφατη θεωρητική ανάλυση των χημικών δεσμών που συγκρατούν το DNA, φαίνεται πως τα κβαντικά φαινόμενα μπορεί να συμβαίνουν πολύ πιο συχνά από ότι πιστεύαμε μέχρι σήμερα – και να λειτουργούν ως κύρια πηγή των γενετικών μεταλλάξεων.

Ερευνητές με επικεφαλής τον Louie Slocombe του πανεπιστημίου του Surrey στην Αγγλία επικεντρώθηκαν στις χημικές ενώσεις (A, T, G, C) που συνδέουν την διπλή έλικα του DNA και τους δεσμούς υδρογόνου με τους οποίους συνδέονται.

 
 

 

Η ελικοειδής δομή των πρωτεϊνών και το ζευγάρωμα των ‘συζυγών’ βάσεων που δημιουργεί τη διπλή έλικα στο DNA οφείλονται αποκλειστικά σε δεσμούς υδρογόνου των οποίων ο μηχανισμός περιγράφεται από την κβαντική φυσική: Το ελαφρότερο όλων των ατόμων, το υδρογόνο – στην πραγματικότητα ο πυρήνας του – διασχίζει εύκολα την κλασικά απαγορευμένη περιοχή μεταξύ των δυο πηγαδιών του σχήματος (α).Υπό την ταυτόχρονη έλξη δυο ελκτικών κέντρων (δυο οξυγόνων στο σχήμα ή δυο αζώτων ή ενός αζώτου και ενός οξυγόνου κ.ο.κ.) το υδρογόνο εκτελεί μια απεντοπισμένη κίνηση ανάμεσα στα δυο σχετικά πηγάδια εναλλάσσοντας διαρκώς το είδος της «σύνδεσής» του με το κάθε οξυγόνο (βαριά γραμμή διακεκομμένη γραμμή). Έτσι ο δεσμός υδρογόνου είναι τελικά μια κβαντική επαλληλία μεταξύ των μορφών I και II και ένας τρόπος να παρασταθεί αυτό φαίνεται στο σχήμα (β).[Κβαντομηχανική Ι, Στέφανος Τραχανάς]

Το θεωρητικό τους μοντέλο έλαβε υπόψιν τα κβαντικά φαινόμενα που επιτρέπουν σε πρωτόνιο δεσμού υδρογόνου μεταξύ των βάσεων Γουανίνη (G) και Κυτοσίνη (C), εξαιτίας του αυθόρμητου φαινομένου σήραγγος να αγκιστρωθεί στην βάση Γουανίνη.

 


 

 

Τα άτομα υδρογόνου εμφανίζονται με λευκό χρώμα, το άζωτο με μπλε, ο άνθρακας με γκρι και το οξυγόνο με κόκκινο.

Ένα τέτοιο τροποποιημένο ζεύγος βάσεων, γνωστό ως ταυτομερές, μπορεί γρήγορα να επιστρέψει στην αρχική του διάταξη. Αλλά αν το πρωτόνιο δεν επιστρέψει μέχρι να διαχωριστούν οι δύο κλώνοι του DNA -το πρώτο βήμα της αντιγραφής του DNA – η κυτοσίνη μπορεί να συνδεθεί με μια διαφορετική βάση, την αδενίνη, αντί για τη γουανίνη. Αυτό το αφύσικο ζευγάρωμα δημιουργεί μια μετάλλαξη.

 
 

 

Ταυτομέρεια είναι η διαδικασία με την οποία οι ενώσεις αναδιατάσσονται αυθόρμητα ώστε να λάβουν τις μορφές των συντακτικών τους ισομερών. Για παράδειγμα, οι κετο (C = O) μορφές γουανίνης και θυμίνης μπορούν να αναδιαταχθούν στις σπάνιες ενολικές τους μορφές (-OH), ενώ οι αμινο (-NH2) μορφές αδενίνης και κυτοσίνης μπορούν να οδηγήσουν στις σπανιότερες ιμινο (= ΝΗ) μορφές. Στην αντιγραφή του DNA, ο ταυτομερισμός μεταβάλλει τις θέσεις ζεύξης βάσεων και μπορεί να προκαλέσει τον ακατάλληλο συνδυασμό των βάσεων του νουκλεϊνικού οξέος. [wikipedia]

Οι επιστήμονες γνωρίζουν από την ανακάλυψη της δομής του DNA στη δεκαετία του 1950 ότι τα ζεύγη των συζυγών βάσεων μπορούν θεωρητικά, να παράγουν ταυτομέρεια. Αλλά πίστευαν ότι το φαινόμενο της κβαντικής σήρραγγας θα είχε μικρή σημασία ως γεννήτρια μεταλλάξεων – λόγω της εξαιρετικά μικρής διάρκειας ζωής αυτών των φυσικών καταστάσεων.

Το μοντέλο των ερευνητών που παρουσιάζεται στο επιστημονικό περιοδικό Communications Physics, δείχνει ότι η κβαντική διαδικασία συμβαίνει τόσο συχνά που ανά πάσα στιγμή εκατοντάδες χιλιάδες ταυτομερή μπορεί να υπάρχουν στο γονιδίωμα ενός κυττάρου. Έτσι, ακόμα κι αν αυτές οι δομές είναι φευγαλέες, είναι τόσο πολλές και εμφανίζονται τόσο συχνά που αποτελούν μια δυνητικά πλούσια πηγή μεταλλάξεων. Σύμφωνα με τους ερευνητές η κβαντομηχανική αστάθεια «μπορεί κάλλιστα να διαδραματίσει πολύ πιο σημαντικό ρόλο στη μετάλλαξη του DNA από ό,τι είχε προταθεί μέχρι τώρα». Έτσι τίθεται το ερώτημα πώς οι υπάρχοντες ειδικοί μηχανισμοί επισκευής αντιμετωπίζουν τέτοια κβαντικά σφάλματα, δεδομένου ότι ο προβλεπόμενος αριθμός ταυτομερών είναι κατά χιλιάδες φορές μεγαλύτερος από τον συνολικό αριθμό μεταλλάξεων σε κάθε ανθρώπινη γενιά…

διαβάστε περισσότερα στο άρθρο του Scientific American: Quantum Tunneling Makes DNA More Unstable

https://physicsgg.me/2022/09/22/%cf%84%ce%bf-%ce%ba%ce%b2%ce%b1%ce%bd%cf%84%ce%b9%ce%ba%cf%8c-%cf%86%ce%b1%ce%b9%ce%bd%cf%8c%ce%bc%ce%b5%ce%bd%ce%bf-%cf%83%ce%ae%cf%81%ce%b1%ce%b3%ce%b3%ce%b1%cf%82-%ce%ba%ce%ac%ce%bd%ce%b5%ce%b9/