DNA為什麼會自發變異?量子物理學或將揭曉謎團
2021年03月22日09:42

  3月22日消息,近期,一項研究表明,支配微小世界的量子力學可能有助於解釋為什麼基因突變會在DNA自我複製的過程中自發出現。

  DNA“點突變”

  量子力學用於描述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規則失效時,量子就會介入進行解釋,在DNA的例子中,經典物理學提供一種解釋,分析了為什麼DNA螺旋階梯的某一階突然發生變化,會導致所謂的“點突變”。據悉,DNA由脫氧核苷酸組成,而脫氧核苷酸是由堿基、脫氧核糖和磷酸構成,其中堿基有4種:腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C)。DNA攜帶著合成RNA和蛋白質所必須的遺傳信息,是生物發育和正常運作必不可少的生物大分子。

如圖所示,白色的兩個質子在核堿鳥嘌呤(左)和胞嘧啶(右)之間跳躍,它們在DNA鏈內形成堿基對。
如圖所示,白色的兩個質子在核堿鳥嘌呤(左)和胞嘧啶(右)之間跳躍,它們在DNA鏈內形成堿基對。

  在1月29日發表在《物理化學雜誌》上的一項最新研究中,研究人員探索了另一種解釋,表明一種被稱為質子隧穿的量子現象可以通過允許DNA中帶正電荷的質子從一個位置跳躍至另一個位置,產生點突變,反之,這將微妙地改變連接DNA雙螺旋結構兩側的氫橋鍵,當DNA進行自我複製的時候,氫橋鍵會出現錯誤。

  研究人員指出,這種微妙變化尤其可能導致DNA序列出現“錯版”,當DNA鏈複製時,錯誤的DNA“字母”將配對在一起,這些字母也被稱為堿基,通常以某種方式配對:A至G,G至C,但是質子隧穿會導致一些堿基混合和匹配。

  英國曼徹斯特大學計算和理論化學教授薩姆·海伊說:“關於DNA堿基對中氫鍵和質子轉移,科學家已進行了大量計算工作,這項最新研究使用了非常精湛的計算方式來重新檢驗該現象。”

  然而,由於使用特定的計算方法,研究人員僅能在單堿基和堿基對的水平上模擬少部分DNA鏈,這意味著該模型不包括DNA雙螺旋的兩側,也不包括位於DNA鏈上其他位置的堿基對,這些位置的結構可能對研究質子隧穿現象具有重大影響,但要模擬整個DNA鏈將需要巨大的計算能力,可能要等到計算能力或者方法進一步改進後才能解決該問題。

  經典物理學與量子力學

  目前,經典物理學也能提供為什麼質子在DNA鏈周圍跳躍的謎團。DNA堿基對由氫鍵連接在一起,氫鍵是一種氫原子和堿基分子之間相對較弱的吸引力,這些化學鍵可以通過加熱被打破,因為隨著溫度的升高,分子會劇烈振動和抖動,導致氫原子從原來的位置彈出。

  英國薩里大學勒弗休姆量子生物學博士培訓中心博士生路易·斯洛康姆說:“你可以想像整個環境在抖動、振動……一切都處於動態、在移動著。”原子在絕對零度以上的任何溫度下都會擺動,因為熱量會增強它們的動能或者運動。

  依據經典熱力學,這種類型的振動有時會使氫原子跳到DNA的新位置,短暫地形成新鍵,但是原子很快就會彈回到原來的位置,由於DNA堿基的分子結構,氫原子傾向於在兩對堿基之間形成某種“穩定”位置,它們將在這裏保持很長時間,期間僅會短暫地逃至不尋常的“不穩定”位置。

  氫原子僅有一個質子,一個負電荷的電子,沒有中子;在其形成DNA的過程中,這些原子在形成鍵的時候,電子會被一對堿基“奪走”。因此2014年發表在《化學研究報告》上的一篇研究報告稱,實際上,當氫原子從DNA鏈的一端跳至另一端時,它們會以單個質子的形式進行移動,因此科學家將該現象稱為“質子轉移”。

  但是依據最新這項研究,經典質量轉移並不能解釋所有質子在DNA中跳躍的現象。從本質上講,與我們計算量子速率的數字相比,僅通過經典熱力學導致的質子在DNA中跳躍的概率非常低。換句話說,質子隧穿可能比熱量自身驅動更多的質子跳躍。

  跳躍障礙

  質子隧穿依賴於不確定的量子質量,不適用於更大的空間,例如:在較大的空間中,你可以確定火車的位置及其行駛速度,並利用這些信息,預測火車可時到達下一站。

  然而,就亞原子粒子而言,它們的確切位置和速度無法同時計算出來,科學家僅能通過計算粒子以特定速度出現在某一特殊位置的概率,來捕捉到粒子的模糊圖像。在質子隧穿的背景下,科學家可以計算出質子在某個位置或者另一個位置的概率——理論上講,質子存在於宇宙任何位置的概率都是非零的。

  之前媒體曾報導稱,質子隧穿意味著粒子可以穿過看似不應該通過的障礙,有時它們甚至可以跳躍障礙。

  為了預測質子在DNA中何時何處可能發生轉移,研究小組確定了粒子從“穩定”位置斷裂至“不穩定”位置所需的能量,該閾值就是所謂的“能量位壘”,而反彈至穩定狀態所需的能量就是“反向拉壘”。

  研究小組稱,與質子隧穿相比,由熱量驅動的經典質子轉移的能量位壘非常高。預測的質子隧穿率遠遠超過了經典質量轉移,如果不考慮隧穿率,質子跳躍至另一個DNA堿基的概率將‘非常非常接近零’。

  在作者計算的限製範圍內,隧穿似乎在一對堿基之間的質子轉移過程中起著中度至較大等級的作用。同時,研究小組還發現,A-T對之間質子隧穿的反向位壘比G-C要低很多,這意味著,如果一個質子從一對電子的A端隧穿至T端,它將立即返回,反向位壘的能量較低,從而使質子很容易會彈出其穩定。

  斯洛康姆說:“然而對於G-C堿基對,它有相當大的反向位壘,這意味著該狀態在相當長的一段時間內是比較穩定的,因此,一旦某個質子跳躍了G-C堿基對的位壘,它可能在一段時間內保持不穩定的位置,如果這發生在DNA複製開始之前,質子可能會在DNA鏈的‘錯誤的一側’。”

  這是因為為了複製自己,DNA首先會展開,破壞堿基對之間的鍵,然後,一種叫做聚合酶的物質會突然出現,將新的堿基裝入開口槽中,就像拚圖遊戲一樣。然而,問題是當聚合酶在一個不穩定位置遇到一個質子時,它可能會選擇錯誤的“拚圖碎片”作為連接的堿基,例如:一個質子可能跳躍到一個G堿基對,當聚合酶經過的時候,聚合酶附著的是T堿基對,而不是C堿基對。

  該項研究具有重要意義

  依據教科書《基因分析導論》,生物學家詹姆斯·沃森和物理學家弗朗西斯·克里克首次發現了DNA複製中的這種錯誤,他們是最早進行DNA研究的專家,這項最新研究表明,質子隧穿的作用——比熱力學作用更重要,可能是導致這些突變的原因。

  因此在分裂過程之前,DNA存在一個脆弱時刻,此時量子效應具有重要意義。

  選擇錯誤的“拚圖碎片”作為連接的堿基從而產生的點突變可能是無關緊要的,不會改變細胞的功能或者構建蛋白質的方式,但研究人員稱,它們也可能是毀滅性的,會導致鐮狀細胞性貧血等疾病和非小細胞肺癌等特定類型的癌症,在某些情況下,點突變也可能是十分有益的。

  儘管如此,科學家仍不知道一個質子需要在不穩定位置停留多長時間才能真正發生點突變,海伊指出,最新研究僅模擬DNA鏈的一小部分,為了深入瞭解質子隧穿發生的頻率,必須模擬整個系統。

  目前,斯洛康姆和同事致力地對堿基對周圍更大的環境進行建模,通過這種方式,他們可以理清量子物理學、經典物理學與DNA之間的關係,如何通過不同的機製驅動質子跳躍,該研究有助於揭曉什麼條件下質子轉移更容易發生,以及該現象觸發有害基因突變的頻率,這是一個至關重要的問題。(葉傾城)

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