چرا DNA خود به خود جهش می یابد؟ فیزیک کوانتومی ممکن است توضیح دهد یک مطالعه اخیر نشان می دهد که مکانیک کوانتومی، که بر جهان خردسالان حکومت می کند، ممکن است به توضیح اینکه چرا جهش های ژنتیکی به طور خود به خود در DNA ایجاد می شود، کمک کند تا از خودش کپی کند. مکانیک کوانتومی قوانین عجیب حاکم بر اتم ها و اجزای زیر اتمی آن ها را توصیف می کند. وقتی قواعد فیزیک کلاسیک که جهان بزرگ را توصیف می کند شکسته می شود، کوانتوم وارد می شود تا توضیح دهد. در مورد DNA، فیزیک کلاسیک توضیحی برای این توضیح می دهد که چرا تغییرات می توانند به طور ناگهانی در یک پله از نردبان مارپیچی DNA ظاهر شوند و منجر به چیزی شود که جهش نقطه ای نامیده می شود. در مطالعه اخیر که در 29 ژانویه در مجله Physical Chemistry Chemical Physics منتشر شد، محققان توضیح دیگری را بررسی کردند که نشان می دهد یک پدیده کوانتومی به نام تونل زنی پروتون می تواند با اجازه دادن به پروتون های دارای بار مثبت در DNA از مکانی به مکان دیگر جهش نقطه ای ایجاد کند. این به نوبه خود می‌تواند پل‌های هیدروژنی را که دو طرف مارپیچ دوگانه DNA را به هم متصل می‌کنند، تغییر دهد، که می‌تواند منجر به خطاهایی شود که زمان آن می‌رسد که DNA از خودش کپی کند. نویسندگان مطالعه خاطرنشان می کنند، به ویژه، این تغییر ظریف به طور بالقوه می تواند باعث اشتباه چاپی در توالی DNA شود، جایی که “حروف” اشتباه در هنگام تکرار رشته با هم جفت می شوند. این حروف، که به عنوان پایه شناخته می شوند، معمولاً به روش خاصی جفت می شوند: A به T و G به C. اما تونل زنی پروتون می تواند باعث اختلاط و تطبیق برخی از پایه ها شود. سام هی، استاد شیمی محاسباتی و نظری در دانشگاه منچستر که در این مطالعه شرکت نداشت، گفت: «کار محاسباتی زیادی برای پیوند هیدروژنی [و] انتقال پروتون در جفت‌های باز DNA انجام شده است. او در ایمیلی به Live Science گفت: «این مقاله از محاسبات بسیار سطح بالایی برای بررسی مجدد این پدیده استفاده می‌کند. با این حال، با توجه به محاسبات مورد استفاده، نویسندگان می‌توانند تنها بخش‌های کوچکی از یک رشته DNA را در سطح بازها و جفت‌های باز مدل‌سازی کنند. هی اشاره کرد که این بدان معناست که این مدل شامل دو طرف مارپیچ دوگانه DNA و جفت‌هایی که در جای دیگری از رشته قرار دارند، نمی‌شود. او گفت که این ساختارهای نزدیک ممکن است “تأثیر قابل توجهی” بر چگونگی باز شدن تونل پروتون داشته باشند، اما برای مدل سازی کل رشته DNA به مقدار زیادی از قدرت محاسباتی نیاز است. او گفت: «ممکن است باید منتظر بمانیم تا قدرت محاسباتی یا روش‌شناسی بیشتر شود تا بتوانیم به این موضوع رسیدگی کنیم. کلاسیک در مقابل کوانتوم اکنون، فیزیک کلاسیک همچنین توضیحی برای چرایی پرش پروتون ها در DNA ارائه می دهد. جفت‌های باز DNA در وسط توسط پیوندهای هیدروژنی به هم می‌پیوندند – یک جاذبه نسبتاً ضعیف بین اتم‌های هیدروژن و مولکول‌های موجود در بازها. این پیوندها می توانند توسط گرما شکسته شوند، زیرا با افزایش دما، مولکول ها به شدت ارتعاش و تکان می دهند و باعث می شود اتم های هیدروژن از جای خود خارج شوند. لویی اسلوکامب، یکی از نویسندگان این مطالعه، دانشجوی دکترا در مرکز آموزش دکتری زیست‌شناسی کوانتومی دانشگاه ساری در انگلستان، گفت: «می‌توانید به کل محیط فکر کنید که می‌لرزد، می‌لرزد… همه چیز پویا و متحرک است». او گفت که اتم‌ها در هر دمایی بالاتر از صفر مطلق تکان می‌خورند، زیرا گرما انرژی جنبشی یا حرکت آنها را بالا می‌برد. طبق ترمودینامیک کلاسیک، این لرزش گاهی اوقات به اتم‌های هیدروژن اجازه می‌دهد تا به موقعیت‌های جدیدی در DNA بپرند و برای مدت کوتاهی پیوندهای جدیدی ایجاد کنند. اما اتم ها به زودی به مکان اصلی خود باز می گردند. به دلیل ساختار مولکولی پایگاه‌های DNA، اتم‌های هیدروژن تمایل دارند تا در یک موقعیت «پایدار» بین جفت‌ها قرار گیرند، جایی که بیشتر وقت خود را در آنجا می‌گذرانند، و فقط برای مدت کوتاهی به موقعیت‌های غیرمعمول و «ناپایدار» می‌روند. اتم های هیدروژن فقط حاوی یک پروتون، یک الکترون با بار منفی و بدون نوترون هستند. در طول تشکیل DNA، این اتم‌ها با تشکیل پیوند، الکترون خود را به یک پایه در جفت از دست می‌دهند. بنابراین در واقع، هنگامی که اتم های هیدروژن از یک طرف یک رشته DNA به سمت دیگر می جهند، به صورت یک پروتون منفرد حرکت می کنند، از این رو طبق گزارشی در سال 2014 در مجله حساب های تحقیقات شیمیایی، دانشمندان از این پدیده به عنوان “انتقال پروتون” یاد می کنند. . اما طبق مطالعه جدید، انتقال پروتون کلاسیک تمام مواردی را که پروتون‌ها در DNA جهش می‌کنند، در نظر نمی‌گیرد. اساساً، آنچه ما متوجه می‌شویم این است که میزان این [رویداد] فقط از طریق ترمودینامیک کلاسیک در مقایسه با زمانی که اعداد را برای نرخ‌های کوانتومی اجرا می‌کنیم، بسیار کم است.» به عبارت دیگر، تونل زنی پروتون احتمالاً بیش از گرما به تنهایی باعث پرش پروتون می شود. پریدن از مانع تونل زنی پروتون بر اصل کوانتومی عدم قطعیت متکی است که در جهان بزرگتر صدق نمی کند. به عنوان مثال، در دنیای چیزهای بزرگ، می توان هم از مکان قطار و هم از سرعت حرکت آن مطمئن بود، و با استفاده از این اطلاعات، می توان پیش بینی کرد که قطار باید چه زمانی به ایستگاه بعدی برسد. با این حال، وقتی صحبت از ذرات زیر اتمی می شود، مکان دقیق و سرعت آنها را نمی توان همزمان محاسبه کرد. دانشمندان با محاسبه احتمال اینکه ممکن است در یک نقطه خاص ظاهر شود و با سرعت خاصی حرکت می کند، تنها تصویری مبهم از آنچه که یک ذره در حال انجام است، بگیرند. در زمینه تونل زنی پروتون، دانشمندان می توانند احتمال قرار گرفتن یک پروتون در یک موقعیت یا موقعیت دیگر را محاسبه کنند – و از نظر تئوری، احتمال وجود پروتون به معنای واقعی کلمه در هر نقطه از جهان غیر صفر است. لایو ساینس قبلا گزارش داده بود که این بدان معنی است که ذرات می توانند از موانعی عبور کنند که ظاهراً نباید قادر به عبور از آنها باشند، حتی گاهی اوقات به آنها اجازه می دهند از دیوارها بپرند. برای پیش‌بینی زمان و مکان انتقال پروتون در DNA، این تیم مقدار انرژی مورد نیاز برای شکستن ذرات از موقعیت‌های «پایدار» و به موقعیت‌های «ناپایدار» را تعیین کردند. این آستانه به عنوان “سد انرژی” شناخته می شود و انرژی مورد نیاز برای بازگشت به حالت پایدار “موانع معکوس” است. این تیم دریافتند که سد انرژی برای انتقال کلاسیک پروتون، که توسط گرما هدایت می‌شود، در مقایسه با سد انرژی تونل‌زنی پروتون بسیار زیاد است. اسلوکامب گفت: سرعت پیش‌بینی‌شده تونل‌سازی پروتون تا کنون از انتقال کلاسیک فراتر رفته است، به‌گفته اسلوکامب، بدون در نظر گرفتن تونل‌سازی، احتمال جهش یک پروتون به پایگاه DNA مخالف «بسیار بسیار نزدیک به صفر» خواهد بود. هی به لایو ساینس گفت: با توجه به محدودیت‌های محاسبات نویسندگان، به نظر می‌رسد که تونل‌سازی نقش متوسطی [تا] نسبتاً بزرگی را در طول انتقال پروتون بین پایه‌ها در یک جفت بازی می‌کند. این تیم همچنین دریافتند که سد معکوس برای تونل زنی پروتون بین جفت های A-T بسیار بسیار کمتر از جفت های G-C است. اسلوکامب گفت، این بدان معناست که در صورتی که یک پروتون از سمت A به سمت T یک جفت تونل بزند، به عنوان مثال، “فوراً به عقب برمی گردد.” سد معکوس آنقدر پایین است که پروتون به راحتی به حالت پایدار خود بازمی گردد. اسلوکامب گفت: “در حالی که برای G-C، این سد معکوس نسبتاً بزرگ دارد، به این معنی که وضعیت تا حدودی برای بخش قابل توجهی از زمان پایدار است.” بنابراین هنگامی که یک پروتون از سد انرژی یک جفت G-C عبور کرد، ممکن است برای مدتی در موقعیت ناپایدار خود بماند. اسلوکامب گفت، اگر این درست قبل از شروع همانندسازی DNA اتفاق بیفتد، ممکن است پروتون در “سمت اشتباه” رشته گیر کند. دلیلش این است که برای کپی کردن خود، DNA ابتدا از حالت زیپ خارج می شود و پیوندهای بین جفت بازها را می شکند. سپس آنزیمی به نام پلیمراز وارد می شود و پایه های جدیدی مانند قطعات پازل را در شکاف های باز قرار می دهد. مشکل این است که وقتی پلیمراز با یک پروتون در موقعیت ناپایدار روبرو می شود، می تواند قطعه پازل اشتباهی را برای پایه متصل انتخاب کند. به عنوان مثال، یک پروتون ممکن است به یک G بپرد، و زمانی که پلیمراز وارد می شود، آنزیم به جای C به T متصل می شود و خطا را تشخیص نمی دهد.
سوال میلیون دلاری این نوع خطا در همانندسازی DNA برای اولین بار توسط زیست شناس جیمز واتسون و فیزیکدان فرانسیس کریک مشاهده شد که برخی از اولین مطالعات DNA را بر اساس کتاب درسی “مقدمه ای بر تجزیه و تحلیل ژنتیکی” (W. H. Freeman، 2000) انجام دادند. مطالعه جدید نشان می دهد که تونل پروتون – بیشتر از ترمودینامیک – ممکن است مسئول این جهش ها باشد. اسلوکامب گفت: «درست قبل از فرآیند تقسیم، یک لحظه آسیب‌پذیری خواهید داشت، جایی که این اثر کوانتومی، که معمولاً اصلاً اهمیتی نداشت، اکنون بی‌اهمیت است». جهش‌های نقطه‌ای که ممکن است از این خطاها به وجود بیایند می‌توانند بی‌اهمیت باشند و هیچ تغییری در نحوه عملکرد سلول‌ها یا ساخت پروتئین‌ها ایجاد نکنند. به گفته محققان، اما آنها همچنین می توانند ویرانگر باشند و به بیماری هایی مانند کم خونی داسی شکل و انواع خاصی از سرطان، مانند سرطان ریه سلول های غیر کوچک کمک کنند. در برخی از سناریوها، جهش نقطه ای نیز می تواند مفید باشد. با وجود این، دانشمندان هنوز نمی دانند که یک پروتون چقدر باید در موقعیت ناپایدار خود بماند تا چنین جهش نقطه ای واقعاً رخ دهد. و دوباره، مطالعه جدید تنها بخش کوچکی از رشته DNA را مدل‌سازی کرد، و کل سیستم باید مدل‌سازی شود تا بفهمیم تونل‌زنی پروتون چقدر اتفاق می‌افتد. اسلوکامب و همکارانش اکنون در حال کار بر روی مدل سازی محیط بزرگتر اطراف جفت های پایه هستند. به این ترتیب، آنها می‌توانند شروع به مرتب‌سازی کنند که چگونه فیزیک کوانتومی و کلاسیک با DNA کشتی می‌گیرند و پرش پروتون را از طریق مکانیسم‌های مختلف هدایت می‌کنند. این خط از تحقیقات باید به آشکار شدن شرایطی کمک کند که انتقال پروتون بیشتر اتفاق بیفتد و هر چند وقت یکبار این پدیده باعث جهش های ژنتیکی مضر می شود.
