Квантовые процессы приводят к появлению мутаций в структуре ДНК

Репликация — процесс удвоения молекулы ДНК, необходимый для передачи генетической информации во время деления клеток. Он проходит с поразительной точностью, однако ошибки все же встречаются и иногда приводят к мутациям. Используя компьютерное моделирование, ученые из Университета Суррея (Великобритания) показали, что ошибки репликации могут происходить из-за квантовых процессов. Результаты их исследования опубликованы в журнале Communications Physics.

ДНК состоит из последовательности азотистых оснований четырех типов: аденина, гуанина, тимина и цитозина. Основания двух цепей спирали ДНК соединяются друг с другом водородными связями через атомы водорода. При этом аденин всегда связан с тимином двумя связями, а цитозин с гуанином — тремя. Изменение этих связей, которое происходит при модификации оснований, может приводить к соединению азотистого основания не со своей парой, что становится причиной мутаций.

Хотя это событие было предсказано еще первооткрывателями структуры ДНК Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком, только сейчас компьютерное моделирование помогло количественно оценить вероятность такого процесса.

Оказалось, модификация связей между цепями ДНК гораздо более распространена, чем считалось ранее. Ядро атома водорода состоит из одного протона, который может легко перепрыгивать через энергетический барьер с одной стороны водородной связи на другую. Это происходит благодаря хорошо изученному квантовому процессу — туннелированию, при котором частица (в данном случае — протон) преодолевает потенциальный барьер, но ее полная энергия при этом меньше высоты барьера. Такое явление, напоминающее телепортацию объекта сквозь стену, имеет исключительно квантовую природу и невозможно в классической механике.

Однако локальная клеточная среда становится причиной квантового поведения протонов. Они термически активируются и преодолевают энергетический барьер. Таким образом внутри ДНК протоны постоянно туннелируют туда и обратно вдоль водородных связей между цепями. При разделении нитей для копирования в процессе репликации часть протонов может оказаться не на своей стороне, и это приведет к ошибке и несоответствию оснований в новой паре.

Ранее биологи полагали, что подобные квантовые процессы не способны проходить в теплой и сложноустроенной живой клетке, а туннелирование возможно только при низких температурах в относительно простых системах. Квантовые эффекты в ДНК практически не рассматривались, однако теперь ученые показали, что они вносят большой вклад в биологические процессы.