بیولوژی کوانتومی ممکن است باعث جهش DNA شما شود

مکانیک کوانتومی

تحقیقات نظری نشان می‌دهد که اثرات کوانتومی می‌تواند باعث جهش در DNA انسان شود. این آخرین پیشرفت در زمینه نوظهوری به نام بیولوژی کوانتومی است. این مکانیسم شامل انتقال پروتون از طریق تونل‌زنی کوانتومی (quantum tunnelling) است، فرآیندی که در یک کوادریلیوم ثانیه اتفاق می‌افتد.

آیا اثرات کوانتومی می‌تواند باعث جهش در DNA انسان شود؟ اگر درست باشد، این می‌تواند نحوه درک ما از سرطان، بیماری‌های ژنتیکی و حتی منشاء زندگی را تغییر دهد.

اثرات کوانتومی عجیب

دانشمندان زمانی فکر می‌کردند که سیستم‌های بیولوژیکی آنقدر بی‌نظم هستند که نمی‌توانند اثرات کوانتومی عجیبی مانند تونل‌زنی پروتون یا proton tunneling را تجربه کنند. به طور کلی، هر چه گرما و هرج و مرج در اطراف بیشتر باشد، اثر کوانتومی کوچکتر است.

جهش های نقطه‌ای

در مارپیچ DNA، بازهای A,T,C و G مثل یک پازل به هم متصل شده‌اند. قطعات T به قطعات A پیوند می‌خورند، و قطعات G با قطعات C مرتبط می‌شوند. توجه کنید که این قطعات، از طریق جاذبه‌های ضعیف بین اتم‌های هیدروژن خود که دارای یک پروتون و الکترون هستند به هم متصل می‌شوند. اما گاهی اوقات، خطایی رخ می‌دهد و حروف به اشتباه جفت می‌شوند (اشتباهی که ما آن را جهش نقطه‌ای می‌نامیم.) جهش‌های نقطه‌ای می‌توانند جمع شوند و مشکلاتی را در DNA ایجاد کنند که گاهی منجر به سرطان یا سایر مشکلات سلامتی می‌شود.

زیست‌شناسی کوانتومی

به مدت 50 سال، محققان در مورد اینکه آیا پروتون‌ها بین رشته‌های پیوند ضعیف DNA می‌توانند باعث جهش نقطه‌ای شوند یا خیر، بحث کرده‌اند. به نظر می‌رسید که پاسخ منفی است. بسیاری از مطالعات به این نتیجه رسیده‌اند که حالت‌های جفت‌باز میانی ایجاد شده توسط سوئیچینگ پروتون بسیار ناپایدار و کوتاه مدت هستند که نمی‌توانند در DNA همانندسازی شوند.

اما یک مطالعه جدید نشان می‌دهد که این حالت‌ها می‌توانند مکرر و پایدار باشند و فرآیندهای کوانتومی ممکن است فرم آنها را هدایت کنند.

انتقال پروتون

محققان انتقال پروتون را بین پیوندهای هیدروژنی جفت پایه G:C در دریای نامتناهی از ذرات ارتعاشی فنر مانند، مدل‌سازی کردند که نشان‌دهنده محیط آشفته سلولی است. محاسبات آنها نشان می‌دهد که انتقال پروتون از طریق تونل‌زنی کوانتومی می‌تواند برای اتصالات G:C در مرکز یک مارپیچ DNA بسیار سریع اتفاق بیفتد (در عرض چند صد فمتوثانیه یا 0.0000000000000001 ثانیه.) چنین نرخی بسیار سریعتر از مقیاس زمانی بیولوژیکی ما است.

این سوئیچینگ سریع پروتون‌ها از یک طرف به طرف دیگر، به این معنی است که جفت‌های پایه دائماً بین شکل اصلی خود و شکل کمی متفاوت تغییر می‌کنند. این اشکال میانی می‌توانند باعث عدم تطابق در طول همانندسازی DNA شوند.

به جای جلوگیری از تونل زدن پروتون‌ها، گرمای بیولوژیکی ما ممکن است به عنوان منبع فعال‌سازی حرارتی عمل کند و به پروتون‌ها انرژی کافی بدهد تا به طرف دیگر بروند. در واقع، انتقال پروتون از طریق تونل کوانتومی چهار برابر بیشتر از چیزی است که توسط فیزیک کلاسیک پیش‌بینی‌شده است. این اتفاقات نه تنها رایج هستند، بلکه عمر طولانی نیز دارند.

در همین راستا پیشنهاد میکنیم مقاله‌ی “قانون جدید فیزیک می‌تواند جهش‌های ژنتیکی را پیش‌بینی کند” را نیز مطالعه کنید.

محدودیت‌ها

دو محدودیت اصلی در کار وجود دارد.

1. محققان جفت‌ A:T را بررسی نکردند، چرا که برای این پیوندها، حالت میانی ناپایدار است و به احتمال زیاد نقشی در جهش‌‌ها ندارد.
2. دوم، این کار نظری از آزمون‌های تجربی برای تأیید یا به چالش کشیدن نتایج سود می‌برد.