最近的一项研究表明，支配微观世界的量子力学可能有助于解释为何DNA在复制自身时会自发地产生基因突变。
量子力学描述了支配原子及其亚原子成分的奇怪规则。当描述宏观世界的经典物理学规则失效时，量子力学就会出现来解释。就DNA而言，经典物理学提供了一种解释，说明为何DNA螺旋梯状结构的单个阶梯会突然出现变化，从而导致所谓的点突变。
在最近一项发表于1月29日《物理化学化学物理》杂志上的研究中，研究人员探索了另一种解释，表明一种名为质子隧穿的量子现象可以通过允许DNA中带正电的质子从一个位置跳跃到另一个位置来引起点突变。反过来，这可能会微妙地改变连接DNA双螺旋两侧的氢桥，从而在DNA复制时导致错误。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
研究作者指出，特别是，这种微妙的变化可能会潜在地导致DNA序列中的错印，其中错误的“字母”在链复制时配对在一起。这些被称为碱基的字母通常以某种方式配对：A与T配对，G与C配对。但质子隧穿可能会导致一些碱基混搭。
曼彻斯特大学计算和理论化学教授萨姆·海伊（Sam Hay）说：“已经有很多计算工作在研究DNA碱基对中的氢键[和]质子转移。”他没有参与这项研究。“这篇论文使用相当高水平的计算来重新审视这种现象，”他在一封电子邮件中告诉《生命科学》。
然而，由于使用了计算，作者只能模拟DNA链的小部分，达到单个碱基和碱基对的水平。海伊指出，这意味着该模型不包括DNA双螺旋的两侧，也不包括位于链中其他位置的碱基对。这些附近的结构可能对质子隧穿的展开方式产生“重大影响”，但他说，要模拟整个DNA链将需要大量的计算能力。
他说：“我们可能不得不等到计算能力或方法进一步提高后才能解决这个问题。”
经典物理学与量子物理学
现在，经典物理学也为质子为何在DNA中跳跃提供了解释。
DNA碱基对通过氢键在中间连接——氢原子和碱基中的分子之间相对较弱的吸引力。这些键可以被热量破坏，因为随着温度升高，分子会剧烈振动和晃动，导致氢原子从原来的位置弹出。
该研究的合著者、英国萨里大学利弗休姆量子生物学博士培训中心的博士生路易·斯洛科姆（Louie Slocombe）说：“你可以想象整个环境都在晃动、振动……一切都是动态的，都在移动。”原子在高于绝对零度的任何温度下都会摆动，因为热量会增加它们的动能，或运动。
根据经典热力学，这种晃动有时允许氢原子跳到DNA中的新位置，短暂地形成新的键。但原子很快会弹回原来的位置；由于DNA碱基的分子结构，氢原子倾向于在碱基对之间稳定在某种“稳定”的位置，在那里它们花费大部分时间，并且只短暂地逃逸到不寻常的“不稳定”位置。
氢原子只包含一个质子、一个带负电的电子，没有中子；在DNA形成过程中，这些原子在形成键时将其电子“失去”给碱基对中的一个碱基。因此，实际上，当氢原子从DNA链的一侧跳到另一侧时，它们作为一个单独的质子移动，因此科学家将这种现象称为“质子转移”，根据2014年《化学研究述评》杂志上的一份报告。
但根据这项新研究，经典质子转移并不能解释质子在DNA中弹跳的所有情况。
斯洛科姆说：“本质上，我们发现，仅通过经典热力学发生的量非常低，与我们运行量子速率的数字相比。”换句话说，质子隧穿可能比仅热量驱动更多的质子跳跃，他说。
跃过屏障
质子隧穿依赖于不适用于宏观世界的量子不确定性原理。例如，在宏观世界中，人们可以确定火车的位置和行驶速度，并且利用这些信息，人们可以预测火车何时到达下一站。
然而，当涉及到亚原子粒子时，它们的精确位置和速度无法同时计算；科学家只能通过计算粒子可能出现在某个位置、以特定速率行进的概率来捕捉到粒子活动的模糊图像。在质子隧穿的背景下，科学家可以计算质子在一个位置或另一个位置的概率——理论上，质子在宇宙中任何地方都具有非零概率。
这意味着粒子可以穿过它们似乎不应该能够穿过的屏障，有时甚至让它们跃过墙壁，《生命科学》此前报道。
为了预测质子转移可能在DNA中发生的时间和地点，该团队确定了粒子从“稳定”位置突破到“不稳定”位置所需的能量。这个阈值被称为“能垒”，而弹回稳定状态所需的能量是“反向势垒”。
该团队发现，与质子隧穿相比，由热量驱动的经典质子转移的能垒相当高。预测的质子隧穿速率远远超过经典转移的速率，以至于如果不考虑隧穿，质子跳到DNA相对碱基的可能性将“非常非常接近于零”，斯洛科姆说。
海伊告诉《生命科学》：“在作者计算的局限性内，隧穿似乎在碱基对之间的质子转移过程中起着适度[到]相当大的作用。”
该团队还发现，A-T对之间质子隧穿的反向势垒远低于G-C对。这意味着，例如，如果质子从A隧穿到碱基对的T侧，“它会立即滚回去”，斯洛科姆说；反向势垒非常低，以至于质子很容易弹回其稳定状态。
斯洛科姆说：“而对于G-C，它具有相当大的反向势垒，这意味着该状态在相当长的时间内是有点稳定的。”因此，一旦质子跃过G-C对的能垒，它可能会在不稳定位置停留一段时间。斯洛科姆说，如果这种情况发生在DNA复制开始之前，质子可能会卡在链的“错误一侧”。
这是因为，为了复制自身，DNA首先会解旋，破坏碱基对之间的键。一种叫做聚合酶的酶随后会迅速进入并开始将新的碱基装入打开的槽中，就像拼图碎片一样。问题是，当聚合酶遇到处于不稳定位置的质子时，它最终可能会为连接的碱基选择错误的拼图碎片。例如，质子可能会跳到G，当聚合酶经过时，该酶会连接T而不是C，并且不会发现错误。
价值百万美元的问题
生物学家詹姆斯·沃森和物理学家弗朗西斯·克里克首次观察到这种DNA复制错误，他们根据教科书《遗传分析导论》（W. H. Freeman，2000年）进行了DNA的一些最早研究。这项新研究提出，质子隧穿——而不是热力学——可能是这些突变的原因。
因此，斯洛科姆说：“在分裂过程之前，你就会有一个脆弱的时刻，在这种时刻，通常根本无关紧要的量子效应现在变得不容忽视。”
这些错误可能导致的点突变可能无关紧要，不会引起细胞功能或蛋白质构建方式的改变；但也可能是毁灭性的，导致诸如镰状细胞贫血和某些类型的癌症，例如非小细胞肺癌等疾病，研究人员说。在某些情况下，点突变也可能是有益的。
海伊指出，即便如此，科学家仍然不知道质子需要在不稳定位置停留多久才能真正发生这种点突变。他再次表示，新研究仅模拟了DNA链的一小部分，必须对整个系统进行建模，才能了解质子隧穿发生的频率。
斯洛科姆和他的同事现在正在努力模拟碱基对周围的更大环境；通过这种方式，他们可以开始理清量子物理学和经典物理学如何与DNA相互作用，并通过不同的机制驱动质子跳跃。这条研究路线应该有助于揭示哪些条件使质子转移更有可能发生，以及这种现象多久会引发有害的基因突变。
斯洛科姆说：“这就是价值百万美元的问题。”
版权所有 2021 年 LiveScience，Purch 公司。保留所有权利。未经许可，不得发布、广播、重写或重新分发此材料。