最近的一項研究表明，支配微觀世界的量子力學可能有助於解釋為何DNA在複製自身時會自發地產生基因突變。
量子力學描述了支配原子及其亞原子成分的奇怪規則。當描述宏觀世界的經典物理學規則失效時，量子力學就會出現來解釋。就DNA而言，經典物理學提供了一種解釋，說明為何DNA螺旋梯狀結構的單個階梯會突然出現變化，從而導致所謂的點突變。
在最近一項發表於1月29日《物理化學化學物理》雜誌上的研究中，研究人員探索了另一種解釋，表明一種名為質子隧穿的量子現象可以透過允許DNA中帶正電的質子從一個位置跳躍到另一個位置來引起點突變。反過來，這可能會微妙地改變連線DNA雙螺旋兩側的氫橋，從而在DNA複製時導致錯誤。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
研究作者指出，特別是，這種微妙的變化可能會潛在地導致DNA序列中的錯印，其中錯誤的“字母”在鏈複製時配對在一起。這些被稱為鹼基的字母通常以某種方式配對：A與T配對，G與C配對。但質子隧穿可能會導致一些鹼基混搭。
曼徹斯特大學計算和理論化學教授薩姆·海伊（Sam Hay）說：“已經有很多計算工作在研究DNA鹼基對中的氫鍵[和]質子轉移。”他沒有參與這項研究。“這篇論文使用相當高水平的計算來重新審視這種現象，”他在一封電子郵件中告訴《生命科學》。
然而，由於使用了計算，作者只能模擬DNA鏈的小部分，達到單個鹼基和鹼基對的水平。海伊指出，這意味著該模型不包括DNA雙螺旋的兩側，也不包括位於鏈中其他位置的鹼基對。這些附近的結構可能對質子隧穿的展開方式產生“重大影響”，但他說，要模擬整個DNA鏈將需要大量的計算能力。
他說：“我們可能不得不等到計算能力或方法進一步提高後才能解決這個問題。”
經典物理學與量子物理學
現在，經典物理學也為質子為何在DNA中跳躍提供瞭解釋。
DNA鹼基對透過氫鍵在中間連線——氫原子和鹼基中的分子之間相對較弱的吸引力。這些鍵可以被熱量破壞，因為隨著溫度升高，分子會劇烈振動和晃動，導致氫原子從原來的位置彈出。
該研究的合著者、英國薩里大學利弗休姆量子生物學博士培訓中心的博士生路易·斯洛科姆（Louie Slocombe）說：“你可以想象整個環境都在晃動、振動……一切都是動態的，都在移動。”原子在高於絕對零度的任何溫度下都會擺動，因為熱量會增加它們的動能，或運動。
根據經典熱力學，這種晃動有時允許氫原子跳到DNA中的新位置，短暫地形成新的鍵。但原子很快會彈回原來的位置；由於DNA鹼基的分子結構，氫原子傾向於在鹼基對之間穩定在某種“穩定”的位置，在那裡它們花費大部分時間，並且只短暫地逃逸到不尋常的“不穩定”位置。
氫原子只包含一個質子、一個帶負電的電子，沒有中子；在DNA形成過程中，這些原子在形成鍵時將其電子“失去”給鹼基對中的一個鹼基。因此，實際上，當氫原子從DNA鏈的一側跳到另一側時，它們作為一個單獨的質子移動，因此科學家將這種現象稱為“質子轉移”，根據2014年《化學研究述評》雜誌上的一份報告。
但根據這項新研究，經典質子轉移並不能解釋質子在DNA中彈跳的所有情況。
斯洛科姆說：“本質上，我們發現，僅透過經典熱力學發生的量非常低，與我們執行量子速率的數字相比。”換句話說，質子隧穿可能比僅熱量驅動更多的質子跳躍，他說。
躍過屏障
質子隧穿依賴於不適用於宏觀世界的量子不確定性原理。例如，在宏觀世界中，人們可以確定火車的位置和行駛速度，並且利用這些資訊，人們可以預測火車何時到達下一站。
然而，當涉及到亞原子粒子時，它們的精確位置和速度無法同時計算；科學家只能透過計算粒子可能出現在某個位置、以特定速率行進的機率來捕捉到粒子活動的模糊影像。在質子隧穿的背景下，科學家可以計算質子在一個位置或另一個位置的機率——理論上，質子在宇宙中任何地方都具有非零機率。
這意味著粒子可以穿過它們似乎不應該能夠穿過的屏障，有時甚至讓它們躍過牆壁，《生命科學》此前報道。
為了預測質子轉移可能在DNA中發生的時間和地點，該團隊確定了粒子從“穩定”位置突破到“不穩定”位置所需的能量。這個閾值被稱為“能壘”，而彈回穩定狀態所需的能量是“反向勢壘”。
該團隊發現，與質子隧穿相比，由熱量驅動的經典質子轉移的能壘相當高。預測的質子隧穿速率遠遠超過經典轉移的速率，以至於如果不考慮隧穿，質子跳到DNA相對鹼基的可能性將“非常非常接近於零”，斯洛科姆說。
海伊告訴《生命科學》：“在作者計算的侷限性內，隧穿似乎在鹼基對之間的質子轉移過程中起著適度[到]相當大的作用。”
該團隊還發現，A-T對之間質子隧穿的反向勢壘遠低於G-C對。這意味著，例如，如果質子從A隧穿到鹼基對的T側，“它會立即滾回去”，斯洛科姆說；反向勢壘非常低，以至於質子很容易彈回其穩定狀態。
斯洛科姆說：“而對於G-C，它具有相當大的反向勢壘，這意味著該狀態在相當長的時間內是有點穩定的。”因此，一旦質子躍過G-C對的能壘，它可能會在不穩定位置停留一段時間。斯洛科姆說，如果這種情況發生在DNA複製開始之前，質子可能會卡在鏈的“錯誤一側”。
這是因為，為了複製自身，DNA首先會解旋，破壞鹼基對之間的鍵。一種叫做聚合酶的酶隨後會迅速進入並開始將新的鹼基裝入開啟的槽中，就像拼圖碎片一樣。問題是，當聚合酶遇到處於不穩定位置的質子時，它最終可能會為連線的鹼基選擇錯誤的拼圖碎片。例如，質子可能會跳到G，當聚合酶經過時，該酶會連線T而不是C，並且不會發現錯誤。
價值百萬美元的問題
生物學家詹姆斯·沃森和物理學家弗朗西斯·克里克首次觀察到這種DNA複製錯誤，他們根據教科書《遺傳分析導論》（W. H. Freeman，2000年）進行了DNA的一些最早研究。這項新研究提出，質子隧穿——而不是熱力學——可能是這些突變的原因。
因此，斯洛科姆說：“在分裂過程之前，你就會有一個脆弱的時刻，在這種時刻，通常根本無關緊要的量子效應現在變得不容忽視。”
這些錯誤可能導致的點突變可能無關緊要，不會引起細胞功能或蛋白質構建方式的改變；但也可能是毀滅性的，導致諸如鐮狀細胞貧血和某些型別的癌症，例如非小細胞肺癌等疾病，研究人員說。在某些情況下，點突變也可能是有益的。
海伊指出，即便如此，科學家仍然不知道質子需要在不穩定位置停留多久才能真正發生這種點突變。他再次表示，新研究僅模擬了DNA鏈的一小部分，必須對整個系統進行建模，才能瞭解質子隧穿發生的頻率。
斯洛科姆和他的同事現在正在努力模擬鹼基對周圍的更大環境；透過這種方式，他們可以開始理清量子物理學和經典物理學如何與DNA相互作用，並透過不同的機制驅動質子跳躍。這條研究路線應該有助於揭示哪些條件使質子轉移更有可能發生，以及這種現象多久會引發有害的基因突變。
斯洛科姆說：“這就是價值百萬美元的問題。”
版權所有 2021 年 LiveScience，Purch 公司。保留所有權利。未經許可，不得釋出、廣播、重寫或重新分發此材料。