De moleculen van het leven, DNA, repliceren met verbazingwekkende precisie, maar dit proces is niet immuun voor fouten en kan leiden tot mutaties. Met behulp van geavanceerde computermodellering heeft een team van natuurkundigen en scheikundigen van de Universiteit van Surrey aangetoond dat dergelijke fouten bij het kopiëren kunnen optreden als gevolg van de vreemde regels van de kwantumwereld.

De twee strengen van de beroemde dubbele DNA-helix zijn met elkaar verbonden door subatomaire deeltjes die protonen worden genoemd - de kernen van waterstofatomen - die de lijm leveren die moleculen die basen worden genoemd, aan elkaar bindt. Deze zogenaamde waterstofbruggen zijn als de sporten van een gedraaide ladder die de dubbele helixstructuur vormt die in 1952 werd ontdekt door James Watson en Francis Crick op basis van het werk van Rosalind Franklin en Maurice Wilkins.

Normaal gesproken volgen deze DNA-basen (genaamd A, C, T en G) strikte regels over hoe ze aan elkaar binden:A bindt altijd aan T en C altijd aan G. Deze strikte koppeling wordt bepaald door de vorm van de moleculen, waardoor ze bij elkaar passen zoals stukjes in een legpuzzel, maar als de aard van de waterstofbruggen iets verandert, kan dit ertoe leiden dat de paarregel wordt afgebroken, waardoor de verkeerde basen worden gekoppeld en dus een mutatie. Hoewel voorspeld door Crick en Watson, is het pas nu dat geavanceerde computationele modellering het proces nauwkeurig heeft kunnen kwantificeren.

Het team, onderdeel van Surrey's onderzoeksprogramma op het opwindende nieuwe gebied van de kwantumbiologie, heeft aangetoond dat deze wijziging in de bindingen tussen de DNA-strengen veel vaker voorkomt dan tot nu toe werd gedacht. De protonen kunnen gemakkelijk van hun gebruikelijke plaats aan de ene kant van een energiebarrière springen om aan de andere kant te landen. Als dit gebeurt net voordat de twee strengen worden uitgepakt in de eerste stap van het kopieerproces, kan de fout door de replicatiemachinerie in de cel gaan, wat leidt tot wat een DNA-mismatch wordt genoemd en mogelijk een mutatie.

In een artikel dat deze week is gepubliceerd in het tijdschrift Communications Physics , gebruikte het Surrey-team, gevestigd in het Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Center een benadering genaamd open kwantumsystemen om de fysieke mechanismen te bepalen die ervoor kunnen zorgen dat de protonen tussen de DNA-strengen springen. Maar het meest intrigerende is dat ze dankzij een bekend maar bijna magisch kwantummechanisme, tunneling genaamd, kunnen oversteken.

Eerder werd gedacht dat dergelijk kwantumgedrag niet zou kunnen plaatsvinden in de warme, natte en complexe omgeving van een levende cel. De Oostenrijkse natuurkundige Erwin Schrödinger had echter gesuggereerd in zijn boek uit 1944 "What is Life?" dat kwantummechanica een rol kan spelen in levende systemen, omdat ze zich nogal anders gedragen dan levenloze materie. Dit laatste werk lijkt de theorie van Schrödinger te bevestigen.

In hun onderzoek stellen de auteurs vast dat de lokale cellulaire omgeving ervoor zorgt dat de protonen, die zich als uitgespreide golven gedragen, thermisch worden geactiveerd en aangemoedigd door de energiebarrière. In feite blijken de protonen continu en zeer snel heen en weer te tunnelen tussen de twee strengen. Wanneer het DNA vervolgens in zijn afzonderlijke strengen wordt gesplitst, worden sommige protonen aan de verkeerde kant gevangen, wat tot een fout leidt.

Dr. Louie Slocombe, die deze berekeningen uitvoerde tijdens zijn doctoraat, legt uit dat:"De protonen in het DNA kunnen tunnelen langs de waterstofbruggen in het DNA en de basen wijzigen die coderen voor de genetische informatie. De gemodificeerde basen worden "tautomeren" genoemd. " en kan de DNA-splitsing en replicatieprocessen overleven, waardoor "transcriptiefouten" of mutaties worden veroorzaakt."

Het werk van Dr. Slocombe aan het Surrey's Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Centre werd begeleid door Prof Jim Al-Khalili (Natuurkunde, Surrey) en Dr. Marco Sacchi (Chemie, Surrey).

Prof Al-Khalili merkt op:"Watson en Crick speculeerden meer dan 50 jaar geleden over het bestaan ​​en het belang van kwantummechanische effecten in DNA, maar het mechanisme is grotendeels over het hoofd gezien."

Dr. Sacchi vervolgt:"Biologen zouden normaal gesproken verwachten dat tunneling alleen een belangrijke rol speelt bij lage temperaturen en in relatief eenvoudige systemen. Daarom hadden ze de neiging om kwantumeffecten in DNA buiten beschouwing te laten. Met ons onderzoek denken we dat we hebben bewezen dat deze aannames niet vasthouden." + Verder verkennen

Een nieuwe studie onthult dat kwantumfysica mutaties in ons DNA kan veroorzaken