Удивительное количество генетических мутаций происходит благодаря причудам квантовой физики

Ошибки случаются. Особенно когда речь идет о репликации огромных последовательностей ДНК внутри наших клеток. И это хорошо. Если бы не ошибки в наших генах, которые мы называем мутациями, естественный отбор был бы невозможен, и жизнь замерла бы в воде.

Как бы ни были важны мутации для всего - от болезней до биоразнообразия, мы знаем очень мало о физике этого процесса.

Результаты, полученные в Университете Суррея (Великобритания), возродили предположения о том, что основной механизм, стоящий за химической ловкостью рук, которая спонтанно меняет одну закодированную основу на другую, имеет квантовую природу.

В частности, значительной частью процесса мутации является смещение одного водорода, который склеивает генетические основания, образуя "перекладины" витой лестничной структуры ДНК. Это происходит в результате процесса туннелирования, разрыва связей между генетическими основаниями гуанина и цитозина за время, позволяющее осуществить необратимые изменения.

Квантовое туннелирование является естественным следствием неопределенности характеристик частицы в ограниченных условиях.

Если приблизить субатомный объект, например, протон, то его положение становится все более неопределенным.

Объекты такого масштаба теоретически могут существовать вне пределов ограниченного барьера, прокладывая себе путь сквозь стены так же легко, как привидение пробирается через дом с привидениями.

Хотя это фундаментальная особенность реальности на квантовом уровне, то, как свойства частицы запутываются с другими частицами, толкающимися в теплой, шумной среде, не позволяет ей легко масштабироваться в макровселенную.

Так мы долгое время считали.

"Биологи обычно ожидали, что туннелирование будет играть значительную роль только при низких температурах и в относительно простых системах", - говорит химик Марко Сакки.

"Поэтому они склонны не принимать во внимание квантовые эффекты в ДНК. В нашем исследовании мы считаем, что доказали, что эти предположения не верны".

Теоретическое моделирование изменения связей между основаниями гуанина и цитозина, проведенное командой, ставит под сомнение несколько предположений, связанных с химией этой распространенной формы мутации.

С первых дней изучения структур и химии ДНК ученые считали, что основной причиной мутации является перемещение гидрогенов, связывающих основания на противоположных нитях ДНК.

Это перемещение может превратить основание в таутомер - новую молекулу с той же формой, что и ранее, но с тонкой, иной конфигурацией элементов.

Предполагается, что гидрогены перескакивают через границу между нитями в процессе, называемом двойным переносом протонов, и это действие удивительно похоже на квантовое туннелирование.

Однако, если не принимать во внимание предположение о том, что биологические системы слишком горячие и напряженные, чтобы в них могло произойти такое квантовое событие, любой двойной перенос протона, происходящий таким образом, должен быть устранен ферментами редактирования клетки.

Более тщательно изучив физику процесса, исследователи продемонстрировали, что в температурных условиях типичной клетки квантовые эффекты должны заставить протоны перемещаться туда-сюда с высокой скоростью, заставляя основания расплываться в таутомеры.

Поскольку время пребывания таутомера в таком состоянии быстротечно, механизм репликации, копирующий нить ДНК, вряд ли распознает его присутствие.

Однако если этот процесс приведет к какому-то дисбалансу между основаниями, в результате чего соотношение между основанием и его таутомером изменится каким-то образом, то вполне возможно, что этот сдвиг может быть зафиксирован в виде мутации.

Более того, с математической точки зрения, присутствие этих призрачных таутомерных версий каждого основания достаточно велико, чтобы эта конкретная категория мутаций встречалась гораздо чаще, чем мы думаем.

Потребуются будущие эксперименты, чтобы подтвердить предсказания, сделанные в исследовании, особенно в отношении таких вещей, как скорость прыжков протонов при различных температурах.

Также предстоит выяснить, играют ли квантовые эффекты роль в других изменениях пар оснований или даже в других видах мутаций.

Биологи постепенно осознают роль квантовой неопределенности в ряде биохимических процессов.

Становится все более очевидным, что границы квантовой вселенной не так прочны, как мы можем себе представить.

Это исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.