@ 2022.05.10 , 00:01

生物基因突变的机制或许根源于量子效应

任何系统都存在BUG。当涉及到生命细胞复制大量的DNA序列时,尤其如此。基因自我复制过程中出现的错误,在普遍意义上是一件好事。如果不是我们称之为突变的基因拷贝错误,自然选择就不会存在,生命将溺死在一滩死水之中。

尽管关于突变的知识对从治疗疾病到保护生物多样性这一切的一切都至关重要,但我们对该过程背后的根本物理学机制却知之甚少,简直令人震惊。

英国萨里大学的研究结果再次引发了人们的怀疑,编码碱基交换化学小花招背后的主要触发因素是量子性质的?

具体来说,突变过程的一个重要部分是单个氢的置换,该氢将遗传碱基粘合在一起,形成 DNA 螺旋梯形结构的“梯级”。它通过隧穿效应打破鸟嘌呤和胞嘧啶之间的键。

量子隧穿是受限条件下粒子特性不确定性的自然结果。

放大一个亚原子物体,例如质子,它的位置变得越来越模糊。

这种规模的实体的运动规律,理论上允许存在穿越屏障的行为,就像鬼魂“穿过”墙壁。

“生物学家通常会期望隧穿仅在低温和相对简单的系统中发挥作用。”化学家 Marco Sacchi 说。

“因此,他们倾向于低估 DNA 中的量子效应。通过我们的研究,我们相信我们已经证明这种信心没有依据。”

该团队对鸟嘌呤和胞嘧啶碱基之间键变化的理论模型挑战了围绕这种常见突变形式背后的化学性质的几个假说。

自从DNA结构和化学性质的早期研究以来,科学家们认为突变的主要原因是氢的易位,这些氢在相反的 DNA 链上键合碱基。

这种运动可以将碱基变成互变异构体——一种新分子,其形状与以前相同,但元素的结构却微妙不同。

人们认为,氢通过一个称为双质子转移的过程跨越链之间的边界,这个动作看起来令人惊讶地像一个量子隧穿事件。

然而,除了习惯上假定生物系统太热太混乱以至于无法发生这种量子事件之外,任何通过这种方式发生的双质子转移都应该被细胞的编辑酶消除。

更仔细地研究该过程背后的物理学,研究人员已经证明,在典型细胞的温度条件下,量子效应导致质子以高速率来回震荡,从而导致碱基模糊成互变异构体。(这句的意思应该是说,它一会是正常碱基一会是异构体)

由于转为互变异构体所花费的时间极短,负责复制 DNA 链的细胞机器几乎无法识别它的存在。

然而,如果这个过程导致碱基之间的某种不平衡,以某种方式改变碱基与其互变异构体的比例,那么这种转变很可能被锁定为突变。

更重要的是,从数学上讲,每个碱基的幽灵般的互变异构体的存在足以说明这种特定类别的突变比我们意识到的要普遍得多。

需要未来的实验来检验这一预言,尤其是在不同温度下的质子跳跃率等方面。

量子效应是否在碱基对的其他变化甚至其他类型的突变中发挥作用也有待证明。

不过,生物学家正在慢慢意识到量子不确定性在一系列生化过程中所起的作用。

越来越清楚的是,量子宇宙的边界并不像我们想象的那么坚固。

这项研究发表在《自然通讯》上。

https://www.sciencealert.com/a-surprising-number-of-mutations-occur-thanks-to-a-quirk-of-quantum-physics


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