چرا DNA خود‌به‌خود تغییر می‌کند؟

منتشر‌شده در livescience به تاریخ ۱۰ مارس ۲۰۲۱
لینک منبع Why does DNA spontaneously mutate? Quantum physics might explain.

مطالعه اخیر نشان می‌دهد که مکانیک کوانتوم، که بر جهان کوچک ذره‌ای حکم می‌راند، ممکن است به توضیح این موضوع کمک کند که چرا جهش‌های ژنتیکی به طور خود به خود در DNA رشد می‌کنند در‌حالی‌که کپی خود را می‌سازد. مکانیک کوانتومی قوانین عجیبی را توصیف می‌کند که اتم‌ها و اجزای زیر‌اتمی آن‌ها را اداره می‌کنند. وقتی قوانین فیزیک کلاسیک، که جهان بزرگ را توصیف می‌کنند، تجزیه می‌شوند، کوانتوم وارد می‌شود تا توضیح دهد. در موردDNA، فیزیک کلاسیک یک توضیح برای اینکه چرا تغییرات می‌توانند به طور ناگهانی در یک پله از نردبان مارپیچی DNA ظاهر شوند ارائه می‌دهد، که منجر به چیزی می‌شود که جهش نقطه‌ای نامیده می‌شود.

در مطالعه‌ای که اخیرا در مجله "فیزیک شیمیایی شیمی فیزیکی" منتشر شده است، محققان توضیح دیگری را بررسی کرده‌اند که نشان می‌دهد یک پدیده کوانتومی به نام تونل‌زنی پروتون می‌تواند با اجازه دادن به پروتون‌های با بار مثبت در DNA برای جهش از مکان به مکان، باعث ایجاد جهش نقطه‌ای شود. این به نوبه خود، می‌تواند پل‌های هیدروژنی که دو طرف مارپیچ دوگانه DNAها را به هم متصل می‌کنند را به طور زیرکانه تغییر دهد، که می‌تواند منجر به بروز خطا در زمانی شود که دی‌ان‌ای زمان کپی کردن خود را دارد.

به طور خاص، این تغییر ظریف می‌تواند به طور بالقوه باعث اثر سو در توالی DNA شود، که در آن «حروف» اشتباه با هم به عنوان رشته جفت می‌شوند، نویسندگان مطالعه اشاره می‌کنند. این حروف، که به عنوان پایه شناخته می‌شوند، معمولا به شیوه‌ای خاص جفت می‌شوند: A تا T و G تا C اما تونل‌زنی پروتون می‌تواند برخی از پایه‌ها را ترکیب و تطبیق دهد.

سام هی، استاد شیمی محاسباتی و نظری در دانشگاه منچستر، که در این مطالعه شرکت نداشت، گفت: «کارهای محاسباتی زیادی در مورد پیوند هیدروژنی [ و ] انتقال پروتون در جفت باز DNA انجام شده ‌است.» او در ایمیلی به علوم زنده گفت: «این مقاله از محاسبات سطح بالا برای بررسی مجدد این پدیده استفاده می‌کند.»

با این حال، با توجه به محاسبات مورد استفاده، نویسندگان تنها می‌توانستند بخش‌های کوچکی از یک رشته DNA را در سطح پایه و جفت باز مدل کنند. هی اشاره کرد: این بدان معنی است که این مدل شامل دو طرف مارپیچ دوگانه DNA، و یا جفت‌های واقع در جای دیگری از رشته نیست. او گفت، این ساختارهای نزدیک ممکن است «اثر قابل‌توجهی» بر چگونگی آشکار شدن تونل‌زنی پروتون داشته باشند، اما برای مدل‌سازی کل رشته DNA به مقدار زیادی توان محاسباتی نیاز است. او گفت: «ما باید منتظر بمانیم تا قدرت محاسباتی یا روش بهتر شود قبل از اینکه بتوان به آن اشاره کرد.»

مطالعه مقاله آیا نیروی جاذبه ریشه در ذرات کوانتومی دارد؟ توصیه می‌شود.

کلاسیک در مقابل کوانتومی

حال، فیزیک کلاسیک توضیح می‌دهد که چرا پروتون‌ها در DNA به این طرف و آن طرف می‌پرند. جفت پایه‌های DNA توسط پیوندهای هیدروژنی در وسط به هم متصل می‌شوند - یک جاذبه نسبتا ضعیف بین اتم‌های هیدروژن و مولکول‌های موجود در بازها. این پیوندها می‌توانند با گرما شکسته شوند چون با افزایش دما، مولکول‌ها به شدت تکان می‌خورند و تکان می‌خورند و باعث می‌شوند که اتم‌های هیدروژن از جای خود بیرون بیایند.

لویی ساج، یکی از نویسندگان این تحقیق، دانشجوی دکترای مرکز آموزش زیست‌شناسی کوانتوم در دانشگاه سورریهولم در انگلستان، گفت: «شما می‌توانید به کل محیط در حال لرزش و تکان خوردن فکر کنید… همه چیز پویا و در حال حرکت است.» او گفت: اتم‌ها در هر دمایی بالاتر از صفر مطلق تکان می‌خورند چون گرما انرژی جنبشی یا حرکت آن‌ها را افزایش می‌دهد.

با توجه به ترمودینامیک کلاسیک، این حرکت گاهی اوقات به اتم‌های هیدروژن اجازه می‌دهد که به موقعیت‌های جدیدی درDNA بپرند و به طور خلاصه پیوندهای جدیدی را ایجاد کنند. اما اتم‌ها خیلی زود به مکان اصلی خود باز می‌گردند؛ به دلیل ساختار مولکولی پایگاه‌های DNA، اتم‌های هیدروژن تمایل دارند که در یک موقعیت «پایدار» بین جفت‌ها ساکن شوند، جایی که بیشتر وقت خود را در آن سپری می‌کنند، و فقط به طور خلاصه به موقعیت‌های غیر‌معمول «ناپایدار» فرار می‌کنند.

اتم‌های هیدروژن فقط شامل یک پروتون، یک الکترون با بار منفی و بدون نوترون هستند؛ در طول تشکیل DNA، این اتم‌ها الکترون خود را به یک باز در جفت وقتی که یک پیوند تشکیل می‌دهند، «از دست می‌دهند». بنابراین در واقع، وقتی اتم‌های هیدروژن از یک طرف رشته DNA به طرف دیگر می‌پرند، به عنوان یک پروتون حرکت می‌کنند، از این رو دانشمندان به این پدیده به عنوان «انتقال پروتون» اشاره می‌کنند.( طبق گزارش سال ۲۰۱۴ در مجله شمارش تحقیقات شیمیایی.)

اما بر اساس مطالعه جدید، انتقال پروتون کلاسیک برای همه مواردی که پروتون‌ها در DNA بازتاب می‌کنند، در نظر گرفته نمی‌شود. « اساسا، چیزی که ما در‌می‌یابیم این است که مقدار این اتفاق فقط از طریق ترمودینامیک کلاسیک بسیار کم است، در مقایسه با زمانی که ما اعداد را برای نرخ‌های کوانتومی اجرا می‌کنیم.» او گفت: به عبارت دیگر، تونل‌زنی پروتون احتمالا باعث پرش پروتون بیشتری نسبت به تنها گرما می‌شود.

شاید مطالعه مقاله دانشمندان ساختار کوانتومی اولیه جهان ما را شبیه‌سازی کردند. برای شما جذاب باشد.

عبور از مانع

تونل‌زنی پروتون متکی بر اصل کوانتومی عدم قطعیت است که در جهان بزرگ‌تر اعمال نمی‌شود. به عنوان مثال، در دنیای چیزهای بزرگ، فرد می‌تواند هم از موقعیت یک قطار و هم از سرعتی که حرکت می‌کند مطمئن باشد، و با استفاده از آن اطلاعات، فرد می‌تواند پیش‌بینی کند که آن قطار چه زمانی باید به ایستگاه بعدی برسد.

با این حال، وقتی نوبت به ذرات زیر‌اتمی می‌رسد، مکان و سرعت دقیق آن‌ها را نمی‌توان همزمان محاسبه کرد؛ دانشمندان تنها می‌توانند یک تصویر مبهم از آنچه که یک ذره با محاسبه احتمال ظاهر شدن آن در یک نقطه خاص، با سرعت خاصی به آن می‌رسد، به دست آورند. در زمینه تونل‌زنی پروتون، دانشمندان می‌توانند احتمال وجود یک پروتون در یک موقعیت یا موقعیت دیگر را محاسبه کنند - و از لحاظ نظری این احتمال وجود دارد که پروتون به معنای واقعی کلمه در هر نقطه از جهان باشد.

این بدان معنی است که ذرات می‌توانند از موانعی عبور کنند که به نظر نمی‌رسد قادر به عبور از آن‌ها باشند و حتی گاهی اوقات به آن‌ها اجازه می‌دهند از میان دیوارها بپرند.

برای پیش‌بینی اینکه انتقال پروتون چه زمانی و در کجا ممکن است در DNA رخ دهد، تیم مقدار انرژی مورد نیاز برای ذرات برای شکستن از موقعیت‌های «پایدار» خود و به موقعیت‌های «ناپایدار» را تعیین کرد. این آستانه به عنوان «مانع انرژی» شناخته می‌شود و انرژی مورد نیاز برای بازگشت به حالت پایدار «مانع معکوس» است.

این تیم دریافت که سد انرژی برای انتقال پروتون کلاسیک، که ناشی از حرارت است، در مقایسه با تونل‌زنی پروتون بسیار بالا است. نرخ پیش‌بینی شده ‌برای تونل‌زنی پروتون تا‌کنون از نرخ انتقال کلاسیک فراتر رفته است که بدون در نظر گرفتن تونل‌زنی، احتمال جهش یک پروتون به پایهDNA مخالف، «بسیار بسیار نزدیک به صفر» خواهد بود.

هی به علوم زنده گفت: «با توجه به محدودیت‌های محاسبات نویسندگان، به نظر می‌رسد که تونل‌زنی نقش نسبتا بزرگی را در طول انتقال پروتون بین پایه‌ها در یک جفت بازی می‌کند.»

این تیم همچنین دریافت که سد معکوس برای تونل‌زنی پروتون بین جفت A-T بسیار کم‌تر از جفت G-C است. این بدان معناست که، در صورتی‌که یک پروتون از سمتA به سمت T یک جفت تونل بزند، برای مثال، «به سرعت به عقب بر‌می‌گردد»؛ مانع معکوس به قدری پایین است که پروتون به راحتی به حالت پایدار خود باز می‌گردد.

اسلوکومب گفت: «در‌حالی‌که برای جی-سی، این مانع معکوس نسبتا بزرگی دارد، که به این معنی است که دولت برای بخش قابل‌توجهی از زمان تا حدودی پایدار است.» بنابراین زمانی که یک پروتون سد انرژی یک جفتG-C را پر کرد، ممکن است برای مدتی در موقعیت ناپایدار خود باقی بماند. اگر این اتفاق درست قبل از شروع تکثیرDNA رخ دهد، پروتون ممکن است در «سمت اشتباه» رشته گیر کند.

به این دلیل که، برای کپی کردن خود، DNA ابتدا زیپ را باز می‌کند، و پیوندهای بین جفت باز را می‌شکند. آنزیمی به نام پلیمراز سپس به سرعت وارد می‌شود و شروع به برازش بازهای جدید در شکاف‌های باز می‌کند، مانند قطعات پازل. مشکل این است که وقتی پلیمراز با یک پروتون در یک موقعیت ناپایدار مواجه می‌شود، می‌تواند به انتخاب قطعه پازل اشتباه برای پایه متصل شده پایان دهد. برای مثال، یک پروتون ممکن است به یکG جهش کند، و وقتی پلیمراز رخ می‌دهد، آنزیم یک T را به جایC به آن متصل می‌کند و متوجه خطا نمی‌شود.

ممکن است به مطالعه مقاله ۵ شغلی که می‌توانند آینده مراقبت‌های بهداشتی و سلامتی باشند. علاقمند باشید.

سوال یک میلیون‌دلاری

این نوع خطا در تکثیر DNA برای اولین بار توسط زیست‌شناس جیمز واتسون و فیزیک‌دان فرانسیس کریک مشاهده شد که برخی از مطالعات اولیه DNA را با توجه به کتاب «مقدمه‌ای بر تجزیه و تحلیل ژنتیکی» انجام دادند (W. اچ فریمن، ۲۰۰۰). مطالعه جدید این مورد را ایجاد می‌کند که تونل‌زنی پروتون - بیشتر از ترمودینامیک - ممکن است مسئول این جهش‌ها باشد.

بنابراین «درست قبل از فرآیند تقسیم، شما یک لحظه آسیب‌پذیری دارید، جایی که این اثر کوانتومی، که معمولا اصلا مهم نیست، اکنون غیر‌بدیهی است.» به گفته محققان، جهش‌های نقطه‌ای که ممکن است از این خطاها ناشی شوند ممکن است بی‌اهمیت باشند، و هیچ تغییری در نحوه عملکرد سلول‌ها یا ساخت پروتئین‌ها ایجاد نکنند؛ اما آن‌ها همچنین می‌توانند مخرب باشند، و به بیماری‌هایی مانند کم‌خونی سلول داسی‌شکل و انواع خاصی از سرطان، مانند سرطان ریه سلول غیر کوچک کمک کنند. در برخی از سناریوها، جهش‌های نقطه‌ای نیز می‌توانند مفید باشند.

هی اشاره کرد، حتی با این وجود، دانشمندان هنوز نمی‌دانند که یک پروتون چقدر باید در موقعیت ناپایدار خود بماند تا چنین جهش نقطه‌ای واقعا رخ دهد. او گفت: و دوباره، مطالعه جدید تنها بخش کوچکی از رشته DNA را مدل‌سازی کرد، و کل سیستم باید مدل‌سازی شود تا درک کند که تونل‌زنی پروتون چقدر اتفاق می‌افتد.

اسلوکامب و همکارانش در حال حاضر در حال کار بر روی مدل کردن محیط بزرگ‌تری هستند که جفت پایه را احاطه کرده است؛ به این ترتیب، آن‌ها می‌توانند کشف کنند که چگونه فیزیک کوانتومی و کلاسیک با دی‌ان‌ای کشتی می‌گیرند و پرش پروتون را از طریق مکانیزم‌های مختلف انجام می‌دهند. این خط تحقیق باید کمک کند تا مشخص شود که چه شرایطی انتقال پروتون را محتمل‌تر می‌کند و این پدیده چگونه باعث ایجاد جهش‌های ژنتیکی مضر می‌شود.

ساج گفت: « این یک سوال یک میلیون‌دلاری است.»

این متن با استفاده از ربات مترجم مقاله 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.