5 مه 2022- مدل سه بعدی DNA اعتبار: Michael Ströck/Wikimedia/GNU Free Documentation License
مولکول های حیات، DNA، با دقت خیره کننده ای تکثیر می شوند، اما این فرآیند از اشتباهات مصون نیست و می تواند منجر به جهش شود. تیمی از فیزیکدانان و شیمیدانان دانشگاه ساری Surrey با استفاده از مدل سازی کامپیوتری پیچیده، نشان داده اند که چنین خطاهایی در کپی کردن ممکن است به دلیل قوانین عجیب دنیای کوانتومی ایجاد شود.
دو رشته مارپیچ دوگانه معروف DNA توسط ذرات زیر اتمی به نام پروتون – هسته اتم های هیدروژن – به هم متصل می شوند که چسبی را ایجاد می کنند که مولکول هایی به نام باز را به یکدیگر پیوند می دهد. این پیوندهای به اصطلاح هیدروژنی مانند پله های یک نردبان پیچ خورده هستند که ساختار مارپیچ دوگانه ای را تشکیل می دهند که در سال 1952 توسط جیمز واتسون و فرانسیس کریک بر اساس کار روزالیند فرانکلین و موریس ویلکینز کشف شد.
به طور معمول، این بازهای DNA که A، C، T و G نامیده می شوند از قوانین سختگیرانه ای در مورد نحوه پیوند آنها پیروی می کنند A همیشه به T و C همیشه به G متصل می شود. این جفت سخت توسط شکل مولکول ها تعیین می شود و آنها را به هم متصل می کند. قطعات در یک مسیر مشابه اره منبت کاری یا اره مویی هستند، اما اگر ماهیت پیوندهای هیدروژنی کمی تغییر کند، این می تواند باعث شکسته شدن قانون جفت شدن شود، که منجر به اتصال پایه های اشتباه و در نتیجه جهش شود. اگرچه توسط کریک و واتسون پیش‌بینی شده بود، تنها اکنون است که مدل‌سازی محاسباتی پیچیده توانسته است این فرآیند را به دقت تعیین کند.
این تیم که بخشی از برنامه تحقیقاتی ساری در زمینه جدید هیجان انگیز زیست شناسی کوانتومی است، نشان داده است که این تغییر در پیوندهای بین رشته های DNA بسیار شایع تر از آن چیزی است که تاکنون تصور می شد. پروتون ها می توانند به راحتی از محل معمول خود در یک طرف یک مانع انرژی بپرند تا در طرف دیگر فرود آیند. اگر این درست قبل از باز شدن دو رشته در مرحله اول فرآیند کپی اتفاق بیفتد، آنگاه خطا می‌تواند از دستگاه تکثیر در سلول عبور کند و منجر به چیزی شود که به آن عدم تطابق DNA و احتمالاً جهش می‌گویند.
در مقاله‌ای که این هفته در مجله Communications Physics منتشر شد، تیم Surrey مستقر در مرکز آموزشی دکتری زیست‌شناسی کوانتومی Leverhulme از رویکردی به نام سیستم‌های کوانتومی باز برای تعیین مکانیسم‌های فیزیکی که ممکن است باعث پرش پروتون‌ها بین رشته‌های DNA شود، استفاده کرد. اما، جالب‌تر از همه، به لطف یک مکانیسم کوانتومی شناخته شده و در عین حال تقریباً جادویی به نام تونل زنی – شبیه به شبحی که از یک دیوار جامد عبور می کند – است که آنها موفق به عبور از آن می شوند.
قبلاً تصور می شد که چنین رفتار کوانتومی نمی تواند در محیط گرم، مرطوب و پیچیده یک سلول زنده رخ دهد. با این حال، اروین شرودینگر فیزیکدان اتریشی در سال 1944 در کتاب خود “زندگی چیست؟” پیشنهاد کرده بود. مکانیک کوانتومی می‌تواند نقشی در سیستم‌های زنده ایفا کند، زیرا رفتار آنها نسبتاً متفاوت از ماده بی‌جان است. به نظر می رسد این کار اخیر نظریه شرودینگر را تایید می کند.
در مطالعه خود، نویسندگان تعیین کردند که محیط سلولی محلی باعث می شود که پروتون ها، که مانند امواج پخش شده رفتار می کنند، از طریق سد انرژی از نظر حرارتی فعال و تشویق شوند. در واقع، پروتون‌ها به‌طور پیوسته و بسیار سریع بین این دو رشته تونل زنی می‌کنند. سپس، هنگامی که DNA به رشته های جداگانه خود تقسیم می شود، برخی از پروتون ها در سمت اشتباه گیر می کنند که منجر به خطا می شود.
دکتر لویی اسلوکامب که این محاسبات را در دوره دکتری خود انجام داده است، توضیح می دهد که: “پروتون های موجود در DNA می توانند در امتداد پیوندهای هیدروژنی در DNA تونل بزنند و بازهایی را که اطلاعات ژنتیکی را رمزگذاری می کنند، تغییر دهند. بازهای اصلاح شده “توتومر” نامیده می شوند. و می تواند از فرآیندهای شکاف و تکثیر DNA جان سالم به در ببرد و باعث “خطاهای رونویسی” یا جهش شود.”
کار دکتر اسلوکامب در مرکز آموزش دکتری زیست‌شناسی کوانتومی سوری تحت نظارت پروفسور جیم الخلیلی (فیزیک، ساری) و دکتر مارکو ساکی (شیمی، ساری) بود.
