La mecánica cuántica puede explicar por qué el ADN muta espontáneamente

Las moléculas de la vida, el ADN, se reproducen con una precisión asombrosa, pero este proceso no es inmune a los errores y puede dar lugar a mutaciones. Mediante un sofisticado modelo informático, un equipo de físicos y químicos de la Universidad de Surrey ha demostrado que tales errores en la transcripción pueden surgir debido a las extrañas reglas del mundo cuántico.

Las dos hebras de la famosa doble hélice del ADN se mantienen unidas por partículas subatómicas Llamados protones, los núcleos de los átomos de hidrógeno, que proporcionan el pegamento que mantiene unidas a las moléculas llamadas bases. esto es lo que se llama enlaces de hidrógeno Son como los peldaños de la escalera torcida que la componen. doble hélice La estructura fue descubierta en 1952 por James Watson y Francis Crick basándose en el trabajo de Rosalind Franklin y Maurice Wilkins.

Estas bases de ADN (llamadas A, C, T y G) generalmente siguen reglas estrictas sobre cómo se unen entre sí: C siempre está unida a T y C siempre está unida a G. Este emparejamiento estricto está determinado por la forma de las moléculas. , lo que hace que encajen como las piezas de un rompecabezas; sin embargo, si la naturaleza de los enlaces de hidrógeno cambia ligeramente, puede provocar el colapso de la base de acoplamiento, lo que resulta en la unión de bases incorrectas y, por lo tanto, en una mutación. Aunque Crick y Watson lo predijeron, solo ahora un modelo computacional complejo puede definir con precisión el proceso.

El equipo, que forma parte del Programa de Investigación de Surrey en el nuevo y apasionante campo de la biología cuántica, ha demostrado que esta modificación de los enlaces entre las hebras de ADN está más extendida de lo que se pensaba. Los protones pueden saltar fácilmente desde su posición habitual en un lado de la barrera de energía para aterrizar en el otro. Si esto ocurre antes de que las dos hebras se descompriman en el primer paso del proceso de transcripción, el error puede pasar a través de la maquinaria de transcripción de la célula, lo que resulta en lo que se conoce como falta de coincidencia de ADN y posiblemente en una mutación.

En un artículo publicado esta semana en la revista Física de la comunicaciónEl equipo de Surrey con sede en el Centro de Biología Cuántica Leverhulme para la formación de doctorado utilizó un enfoque llamado sistemas cuánticos abiertos para identificar los mecanismos físicos que podrían hacer que los protones salten a través de las hebras de ADN. Pero lo que es aún más interesante es que gracias a un mecanismo cuántico conocido pero casi mágico llamado túnel, similar a un fantasma que atraviesa una pared sólida, lograron atravesarlo.

Anteriormente se creía que tal comportamiento cuántico no podía ocurrir dentro del entorno cálido, húmedo y complejo de una célula viva. Sin embargo, el físico austriaco Erwin Schrödinger sugirió en su libro de 1944 ¿Qué es la vida? La mecánica cuántica puede desempeñar un papel en los sistemas vivos porque se comporta de forma un tanto diferente a la materia inanimada. Este último trabajo parece confirmar la teoría de Schrödinger.

En su estudio, los autores determinaron que el entorno celular local hace que los protones, que se comportan como ondas dispersas, se activen térmicamente y sean estimulados a través de la barrera de energía. De hecho, se descubrió que los protones hacían túneles rápida y continuamente de un lado a otro entre los filamentos. Luego, cuando el ADN se divide en hebras separadas, algunos protones se capturan en el lado equivocado, lo que provoca un error.

El Dr. Lowe Slocombe, quien realizó estos cálculos mientras obtenía su doctorado, explica que: «Los protones en el ADN pueden pasar a lo largo de los enlaces de hidrógeno en el ADN y modificar las bases que codifican la información genética. Las bases modificadas se denominan ‘tomeros'» y pueden sobrevivir a los procesos de escisión del ADN y los procesos de replicación, causando ‘errores de replicación’ o mutaciones».

El profesor Jim Al-Khalili (Física, Surrey) y el Dr. Marco Sacchi (Química, Surrey) supervisaron el trabajo del Dr.

El profesor Al-Khalili comenta: «Watson y Crick han especulado sobre la existencia y la importancia de los efectos de la mecánica cuántica en el ADN hace más de 50 años, sin embargo, el mecanismo se ha pasado por alto en gran medida».

El Dr. Sacchi continúa: «Los biólogos normalmente esperan que los túneles desempeñen un papel importante solo a bajas temperaturas y en sistemas relativamente simples. Por lo tanto, han tendido a descartar los efectos cuánticos en el ADN. A través de nuestro estudio, creemos que hemos demostrado que estas suposiciones juegan un papel importante… sin contrato».