Mutaţiile spontane ale ADN-ului pot fi explicate cu ajutorul fizicii cuantice

Mecanica cuantică, teoria care se ocupă cu studiul lumii particulelor, poate explica apariţia spontană de mutaţii genetice în cadrul procesului de replicare a ADN-ului, conform unui studiu publicat la sfârşitul lunii ianuarie în jurnalul Physical Chemistry Chemical Physics, transmite miercuri Live Science, potrivit Agerpres.

Mecanica cuantică descrie lumea bizară a atomilor şi particulelor subatomice şi oferă răspunsuri la întrebările rămase nerezolvate de fizica clasică, teoria care descrie comportamentul obiectelor mari din Univers. În cazul ADN-ului, fizica clasică a încercat să ofere o explicaţie cu privire la schimbările care pot apărea spontan în catenele ADN, rezultând aşa-numitele mutaţii punctuale.

În studiul publicat recent, cercetătorii explorează o altă cale şi arată că fenomenul cuantic de tunelare a protonilor (efectul de tunel al protonilor prin care aceştia pot străbate o barieră de potenţial la scară atomică), poate produce mutaţii punctuale permiţându-le protonilor (sarcină pozitivă) din ADN să sară din loc în loc. Acest lucru poate avea ca efect modificarea în mod subtil a punţilor de hidrogen care unesc cele două părţi ale dublului helix de ADN, ceea ce poate duce la apariţia de erori atunci când respectiva catenă ADN este replicată.

Astfel, bazele azotate sau „literele” care formează catenele ADN formează legături greşite atunci când ADN-ul este replicat. Aceste baze azotate formează de obicei doar anumite perechi: A (adenină) cu T (timină) şi G (guanină) cu C (citozină). Efectul de tunel al protonilor poate determina formarea altor perechi.

„Există foarte multe simulări pe calculator cu privire la legăturile de hidrogen şi transferul de protoni în perechile de baze (azotate) ce formează ADN-ul”, conform lui Sam Hay, profesor de chimie computaţională şi teoretică în cadrul Universităţii din Manchester, care nu a fost implicat însă în acest nou studiu. „Acest studiu foloseşte calcule de înalt nivel pentru a reexamina acest fenomen” a mai declarat el pentru Live Science.

Însă, datorită modelului matematic folosit, autorii nu au putut simula decât o mică parte din catena de ADN, la nivelul unei singure baze sau a unei perechi de baze azotate. Acest lucru înseamnă că modelul lor nu include ambele părţi ale dublu-helixului de ADN şi nici perechile plasate în alte părţi ale catenei, după cum a precizat Hay. Aceste structuri alăturate ar putea avea „un efect semnificativ” asupra modului în care se produce efectul de tunel al protonilor, însă pentru a simula întreaga catenă ADN este nevoie de enorm de multă putere de calcul, a mai susţinut el.

Tentativa de explicare oferită de fizica clasică

Perechile de baze azotate care formează ADN-ul sunt unite la mijloc prin punţi de hidrogen – o forţă de atracţie relativ slabă între atomii de hidrogen şi moleculele din baze. Aceste legături pot fi rupte de căldură, pentru că, pe măsură ce temperatura creşte, moleculele îşi intensifică vibraţiile şi agitarea, ceea ce poate duce la desprinderea unor atomi de hidrogen din poziţia în care se aflau.

„Ne putem gândi la un mediu în care totul vibrează, totul se agită…. totul este dinamic şi se mişcă”, susţine co-autorul acestui studiu, Louie Slocombe, student doctoral la Centrul de Bilogie Cuantică al Universităţii din Surrey (Anglia). Atomii se agită la orice temperatură deasupra lui zero absolut (-273,15 °C) pentru că energia lor cinetică (mişcarea) este amplificată de căldură.

Conform termodinamicii clasice, această agitaţie le permite uneori atomilor de hidrogen să sară pe noi poziţii în ADN, unde formează noi punţi pentru scurt timp. Însă apoi atomii sar înapoi pe poziţiile originare. Din cauza structurii moleculare a bazelor azotate din ADN , atomii de hidrogen tind să se oprească într-o poziţie oarecum „stabilă” între perechi, unde rămân majoritatea timpului şi de unde evadează foarte rar pe poziţii neobişnuite, „instabile”.

Atomii de hidrogen conţin un singur proton, un electron şi niciun neutron. În timpul formării catenelor ADN aceşti atomi pierd un electron în favoarea unei baze din perechea în care formează o punte. Astfel, atunci când atomii de hidrogen sar dintr-o parte în alta a catenei ADN, ei nu mai sunt formaţi decât dintr-un singur proton – motiv pentru care cercetătorii se referă la acest fenomen ca la un „transfer de protoni”, conform unui studiu publicat în 2014 în jurnalul Accounts of Chemical Research.

Efectul de tunel

Efectul de tunel al protonilor are la bază principiul incertitudinii cuantice. Acest principiu este un nonsens în lumea fizicii clasice. Spre exemplu, cineva poate cunoaşte cu precizie poziţia unui tren şi viteza cu care se deplasează acesta şi, pornind de la aceste informaţii, poate formula predicţii cu privire la momentul în care respectivul tren va ajunge în staţia următoare.

Însă, atunci când ne aflăm în lumea particulelor subatomice, locaţia lor următoare şi viteza nu pot fi calculate în acelaşi timp; oamenii de ştiinţă pot evalua însă probabilitatea ca o particulă să apară într-un anumit loc. În contextul efectului de tunel al protonilor, cercetătorii pot calcula probabilitatea ca un proton să se afle într-o anumită poziţie sau în alta – iar din punct de vedere teoretic, există o probabilitate ca un proton să se afle efectiv oriunde în Univers.

Acest lucru înseamnă că particulele pot traversa bariere pe care nu ar trebui să le poată trece – efectiv ca şi când ar trece prin ziduri.

Pentru a prezice când şi unde s-ar putea produce un transfer de proton în ADN, echipa a determinat nivelul de energie necesar pentru particule astfel încât acestea să-şi părăsească poziţiile „stabile” şi să ocupe poziţii „instabile”. Acest prag este cunoscut drept „bariera energetică”, iar energia necesară revenirii în starea stabilă este „bariera inversă”.

Echipa a descoperit că bariera energetică pentru transferul clasic de protoni, cel produs de căldură (conform fizicii clasice), este foarte ridicată prin comparaţie cu cea pentru efectul de tunel al protonilor. Rata estimată de tunelare a protonilor este astfel mult mai ridicată decât rata de producere a transferului clasic de protoni (conform căreia, dacă nu am lua în calcul efectul de tunel, probabilitatea ca un proton să sară pe o bază opusă în cadrul catenei ADN este „foarte, foarte apropiată de zero”, după cum explică Slocombe).

Echipa a descoperit şi faptul că bariera inversă pentru tunelarea protonică între perechile A-T este semnificativ mai redusă decât pentru perechile G-C. Acest lucru înseamnă că în cazul în care un proton a trecut de la baza A la baza T a unei perechi, spre exemplu, „va fi trimis instantaneu înapoi”, conform lui Slocombe – bariera inversă este atât de scăzută încât protonul revine cu uşurinţă înapoi, la poziţia stabilă.

„În schimb pentru perechea G-C, bariera de inversare este mult mai ridicată, ceea ce înseamnă că noua poziţie ocupată de proton rămâne stabilă pentru o mai lungă perioadă de timp. Dacă acest lucru se întâmplă chiar înainte de a începe procesul de autoreplicare al ADN-ului, protonul poate rămâne pe partea greşită a catenei”, a explicat Slocombe.

Acest lucru se întâmplă ţinând cont de particularităţile de replicare ale ADN-ului. Pentru a face o copie a sa, dublul helix se desface mai întâi, fiind rupte punţile dintre perechile azotate. Apoi o enzimă den
umită polimerază începe să grupeze noi baze în locurile libere, refâcând catenele ca pe un joc puzzle. Atunci când polimeraza întâlneşte un proton rămas într-o poziţie instabilă, poate selecta piesa greşită de puzzle pentru baza ataşată. Spre exemplu, un proton poate sări pe un G şi atunci când este întâlnit de polimerază, enzima îi ataşează un T în loc de un C şi nu îşi dă seama de eroare.

Acest tip de eroare în replicarea ADN-ului a fost observată prima oară de biologul James Watson şi de fizicianul Francis Crick, care au condus unele dintre primele studii asupra ADN-ului, conform manualului „An Introduction to Genetic Analysis” (W. H. Freeman, 2000).Noul studiu arată că efectul de tunel al protonilor – mai mult decât termodinamica – este responsabil de apariţia mutaţiilor la nivelul ADN-ului.