قوانین عجیب مکانیک کوانتومی می‌تواند توضیح دهد که چرا DNA خود به خود جهش می‌یابد

منتشر شده در scitechdaily به تاریخ ۵ می، ۲۰۲۲
لینک منبع: Strange Rules of Quantum Mechanics Could Explain Why DNA Can Spontaneously Mutate

مولکول‌های زندگی، یعنی DNA، با دقت حیرت‌آوری تکثیر می‌شوند اما این فرآیند در برابر اشتباهات ایمن نیست و می‌تواند منجر به جهش شود. با استفاده از مدل‌سازی کامپیوتری پیچیده، گروهی از فیزیک‌دانان و شیمی‌دانان در دانشگاه Surrey نشان داده‌اند که چنین خطاهایی در کپی کردن می‌تواند ناشی از قوانین عجیب جهان کوانتومی باشد.

دو رشته از مارپیچ دوگانه معروف DNA توسط ذرات زیر اتمی به نام پروتون‌ها (هسته اتم‌های هیدروژن) به هم متصل می‌شوند که چسبی را فراهم می‌کنند که مولکول‌ها را به هم پیوند می‌دهند. این به اصطلاح پیوندهای هیدروژنی مانند پله‌های یک نردبان پیچیده هستند که ساختار مارپیچ دوگانه را تشکیل می‌دهند که در سال ۱۹۵۲ توسط جیمز واتسون و فرانسیس کریک براساس کار روزالیند فرانکلین و موریس ویلکینز کشف شد.

به‌طور معمول، این پایگاه‌های DNA (که A، C، T و G نامیده می‌شوند) از قوانین سفت و سختی در مورد چگونگی پیوند آن‌ها با یکدیگر پیروی می‌کنند: A همیشه با T و C همیشه با G پیوند برقرار می‌کند. این جفت‌شدگی شدید با شکل مولکول‌ها تعیین می‌شود و آن‌ها را مانند قطعات در یک jigsaw به هم متصل می‌کند، اما اگر ماهیت پیوندهای هیدروژنی کمی تغییر کند، این می‌تواند باعث شکست قانون جفت شدن شده و منجر به اتصال پایگاه‌های اشتباهی به هم و در نتیجه ایجاد یک جهش شوند. اگرچه توسط کریک و واتسون پیش‌بینی شده‌است، اما تنها در حال حاضر است که مدل‌سازی محاسباتی پیچیده قادر به تعیین دقیق فرآیند بوده‌است.

این تیم، بخشی از برنامه تحقیقاتی Surrey در زمینه هیجان‌انگیز جدید زیست‌شناسی کوانتومی، نشان داده‌است که این تغییر در پیوندهای بین رشته‌های DNA بسیار شایع‌تر از آن چیزی است که تاکنون تصور می‌شد. پروتون‌ها می‌توانند به‌راحتی 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 امروز (۵ می ۲۰۲۲) در مجله فیزیک ارتباطات طبیعی منتشر خواهد شد، تیم Surrey مبتنی‌بر مرکز آموزش زیست‌شناسی کوانتوم Leverhulme از رویکردی به نام سیستم‌های کوانتومی باز برای تعیین مکانیزم‌های فیزیکی که ممکن است باعث جهش پروتون‌ها در میان رشته‌های DNA شود، استفاده کرد. اما جالب‌تر از همه، به لطف یک مکانیسم کوانتومی شناخته‌شده و در عین حال تقریباً جادویی به نام تونل‌زنی -شبیه به شبحی که از یک دیوار جامد عبور می‌کند- است که آن‌ها موفق به عبور از آن می‌شوند.

قبلا تصور می‌شد که چنین رفتار کوانتومی نمی‌تواند درون محیط گرم، مرطوب و پیچیده سلول زنده رخ دهد. با این حال، فیزیک‌دان اتریشی آروین شرودینگر در کتاب سال ۱۹۴۴ خود به نام زندگی چیست؟ که مکانیک کوانتومی می‌تواند نقش مهمی در سیستم‌های زنده ایفا کند، زیرا رفتار آن‌ها از ماده بی‌جان تا حدودی متفاوت است. به نظر می‌رسد که این کار اخیر نظریه شرودینگر را تایید می‌کند.

در مطالعه خود، نویسندگان تعیین کردند که محیط سلولی محلی باعث می‌شود که پروتون‌ها، که مانند امواج پخش‌شده رفتار می‌کنند، از طریق سد انرژی از نظر حرارتی فعال و تشویق شوند. در واقع، پروتون‌ها به‌‌طور پیوسته و به سرعت در حال تونل‌زنی بین دو رشته هستند. سپس، وقتی DNA به رشته‌های جداگانه خود تقسیم می‌شود، برخی از پروتون‌ها در سمت اشتباه گرفتار شده و منجر به یک خطا می‌شوند.

دکتر لویی اسلوکام، که این محاسبات را در طول دوره دکترای خود انجام داده‌است، توضیح می‌دهد که: پروتون‌های DNA می‌توانند در طول پیوندهای هیدروژنی در DNA تونل بزنند و بازهایی که اطلاعات ژنتیکی را رمزگذاری می‌کنند را اصلاح کنند. بازهای اصلاح‌شده توتومر نامیده می‌شوند و می‌توانند از فرآیندهای تقسیم و تکثیر DNA جان سالم به در ببرند و باعث «خطاهای رونویسی» یا جهش شوند.

کار دکتر اسلوکام در مرکز آموزش زیست‌شناسی کوانتومی لورهولم Surrey توسط پروفسور جیم الخلیلی (فیزیک، Surrey) و دکتر مارکو ساچی (شیمی، Surrey) نظارت شد و در مجله فیزیک ارتباطات منتشر شد.

نظرات پروفسور الخلیلی: «واتسون و کریک در مورد وجود و اهمیت اثرات مکانیک کوانتومی در DNA در بیش از ۵۰ سال پیش گمانه‌زنی کردند، با این حال، این مکانیسم تا حد زیادی نادیده گرفته شده‌است.»

دکتر ساجی ادامه می‌دهد: زیست‌شناسان معمولا انتظار دارند که تونل‌زنی تنها در دماهای پایین و در سیستم‌های نسبتا ساده نقش مهمی ایفا کند. بنابراین، آن‌ها تمایل به کاهش اثرات کوانتومی در DNA داشتند. با مطالعه‌ای که انجام دادیم، معتقدیم که ثابت کرده‌ایم این فرضیات وجود ندارند.

این متن با استفاده از ربات ‌ترجمه مقالات ژنتیک ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.