资讯动态

前沿 | 科学家首次发现量子力学影响基因突变的机制,影响概率约为万分之1.73

2022-05-17 09:05:02 23

近日,来自英国萨里大学勒沃霍尔姆量子生物学博士培训中心(Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Centre)的科学家首次经过计算建模得出,基因突变可能受量子力学影响。研究中,萨里大学博士路易·斯洛克姆(Louie Slocombe)在该校物理系教授吉姆·阿尔哈利利(Jim Al-Khalili)和化学系博士马可·萨基士(Marco Sacchi)的指导下完成了数据的具体量化。

相关论文以《DNA 中质子隧穿的开放量子系统方法》()为题发表在 Nature 旗下的 Communications Physics 上 [1]。

据了解,DNA 双螺旋结构是两条反向平行的链,这两条链以氢键将 4 种被称为碱基的分子进行连接。一般情况下,DNA 的碱基腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C) 之间有固定的配对规则,如 A 总是与 T 配对;C 总是与 G 配对。但当氢键的性质出现一些变化时,上述的碱基配对规则有可能被破坏,从而发生基因突变的情况。

之前,克里克和沃森曾提出预测,DNA 突变或与量子力学的某种现象相关。而此次研究中,萨里大学团队通过计算建模具体量化了该过程。

据悉,该团队对鸟嘌呤-胞嘧啶(GC)核苷酸对之间的氢键展开了详细分析,其中包括碱基对结构的准确模型、氢键质子的量子动力学以及去相干和耗散细胞的影响。

结果发现,DNA 双链的氢键有万分之 1.73 的可能性会发生改变。DNA 复制过程中,质子可能从双链的一侧跳跃到另一侧,若质子是在双链被断开之前进行了这一动作,则这些质子可能会隧穿氢键并改掉 DNA 上的碱基,使得其双链上的碱基不相配,从而造成基因突变。

研究人员表示,万分之 1.73 的概率体现出,质子转移对 DNA 突变造成的影响比科学家想象中的要大得多。对此,阿尔哈利利评价道,“沃森和克里克在 50 多年前就提到了 DNA 中量子力学效应的存在以及重要性,然而这种量子力学效应在很大程度上被忽视了。”


图片关键词

图 | 鸟嘌呤-胞嘧啶质子转移反应示意图(来源:Communications Physics)


值得一提的是,该团队在研究中运用了名为“开放量子系统”(open quantum systems)的方法,得出质子在 DNA 双链之间的活动机理,即“氢键质子是基于量子物理学中的隧穿效应才得以跳跃,这些质子可能总是以量子隧穿的方式不断地在 DNA 的双链之间来回穿梭”。

量子隧穿效应(Quantum tunneling effect)是现代电子学技术的基础之一,被用于扫描隧道显微镜的制备等。具体来说,该效应指在特定条件下,某微观粒子“跳跃”原本没有能力越过的势垒阻碍,就好比一个位于山峰左侧的粒子,常规来说其到不了山的右侧,但却突然抵达了山的右侧。

有趣的是,最初科学家表示,由于活体生物细胞内的一些环境特性,量子隧穿效应发生在其中的可能性很小。1944 年,奥地利物理学家欧文·薛定谔(Erwin Schrdinger)提出,量子隧穿效应是有可能在其中起到一定作用的。而本次研究团队得出的结果与薛定谔的理论是一致的。

对此,萨基士表示,“正是因为以往生物学家认为,只有在低温和相对简单的系统中,隧穿效应才能发挥重要作用,所以他们倾向于低估 DNA 中的量子效应。通过本次的研究,我们相信已经证明了这些假设并不成立。”


图片关键词

图 | 互变异构占据的概率(来源:Communications Physics)


研究人员将质子被修改过的碱基叫作“互变异构体”,其可以导致 DNA 发生转录错误及基因突变的情况。该团队称,“量子隧穿对质子传输速率的贡献比经典的越障跳跃大几个数量级,且 GC 的规范和互变异构体在时间尺度上比生物形式更短,能够迅速达到热平衡。”

总的来说,这项研究进一步说明了量子隧穿效应和氢键质子转移,对基因突变的形成起到了关键作用。未来,该研究或推动基因突变模型的发展并在其中扮演重要角色。(来源:澎湃新闻)