北京時間 3 月 22 日消息，近期，一項研究表明，支配微小世界的量子力學可能有助于解釋為什么基因突變會在 DNA 自我復制的過程中自發(fā)出現(xiàn)。
DNA“點突變”
量子力學用于描述支配原子及其亞原子成分的奇怪規(guī)則，當描述宏觀世界的經(jīng)典物理規(guī)則失效時，量子就會介入進行解釋，在 DNA 的例子中，經(jīng)典物理學提供一種解釋，分析了為什么 DNA 螺旋階梯的某一階突然發(fā)生變化，會導致所謂的 “點突變”。據(jù)悉，DNA 由脫氧核苷酸組成，而脫氧核苷酸是由堿基、脫氧核糖和磷酸構成，其中堿基有 4 種：腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）。DNA 攜帶著合成 RNA 和蛋白質(zhì)所必須的遺傳信息，是生物發(fā)育和正常運作必不可少的生物大分子。
如圖所示，白色的兩個質(zhì)子在核堿鳥嘌呤 (左)和胞嘧啶 (右)之間跳躍，它們在 DNA 鏈內(nèi)形成堿基對。
在 1 月 29 日發(fā)表在《物理化學雜志》上的一項最新研究中，研究人員探索了另一種解釋，表明一種被稱為質(zhì)子隧穿的量子現(xiàn)象可以通過允許 DNA 中帶正電荷的質(zhì)子從一個位置跳躍至另一個位置，產(chǎn)生點突變，反之，這將微妙地改變連接 DNA 雙螺旋結構兩側的氫橋鍵，當 DNA 進行自我復制的時候，氫橋鍵會出現(xiàn)錯誤。
研究人員指出，這種微妙變化尤其可能導致 DNA 序列出現(xiàn) “錯版”，當 DNA 鏈復制時，錯誤的 DNA“字母”將配對在一起，這些字母也被稱為堿基，通常以某種方式配對：A 與 T，G 與 C，但是質(zhì)子隧穿會導致一些堿基混合和匹配。
英國曼徹斯特大學計算和理論化學教授薩姆 · 海伊說：“關于 DNA 堿基對中氫鍵和質(zhì)子轉移，科學家已進行了大量計算工作，這項最新研究使用了非常精湛的計算方式來重新檢驗該現(xiàn)象?！?/p>
然而，由于使用特定的計算方法，研究人員僅能在單堿基和堿基對的水平上模擬少部分 DNA 鏈，這意味著該模型不包括 DNA 雙螺旋的兩側，也不包括位于 DNA 鏈上其他位置的堿基對，這些位置的結構可能對研究質(zhì)子隧穿現(xiàn)象具有重大影響，但要模擬整個 DNA 鏈將需要巨大的計算能力，可能要等到計算能力或者方法進一步改進后才能解決該問題。
經(jīng)典物理學與量子力學
目前，經(jīng)典物理學也能提供為什么質(zhì)子在 DNA 鏈周圍跳躍的謎團。DNA 堿基對由氫鍵連接在一起，氫鍵是一種氫原子和堿基分子之間相對較弱的吸引力，這些化學鍵可以通過加熱被打破，因為隨著溫度的升高，分子會劇烈振動和抖動，導致氫原子從原來的位置彈出。
英國薩里大學勒弗休姆量子生物學博士培訓中心博士生路易 · 斯洛康姆說：“你可以想象整個環(huán)境在抖動、振動…… 一切都處于動態(tài)、在移動著?！痹釉诮^對零度以上的任何溫度下都會擺動，因為熱量會增強它們的動能或者運動。
依據(jù)經(jīng)典熱力學，這種類型的振動有時會使氫原子跳到 DNA 的新位置，短暫地形成新鍵，但是原子很快就會彈回到原來的位置，由于 DNA 堿基的分子結構，氫原子傾向于在兩對堿基之間形成某種 “穩(wěn)定”位置，它們將在這里保持很長時間，期間僅會短暫地逃至不尋常的 “不穩(wěn)定”位置。
氫原子僅有一個質(zhì)子，一個負電荷的電子，沒有中子；在其形成 DNA 的過程中，這些原子在形成鍵的時候，電子會被一對堿基 “奪走”。因此 2014 年發(fā)表在《化學研究報告》上的一篇研究報告稱，實際上，當氫原子從 DNA 鏈的一端跳至另一端時，它們會以單個質(zhì)子的形式進行移動，因此科學家將該現(xiàn)象稱為 “質(zhì)子轉移”。
但是依據(jù)最新這項研究，經(jīng)典質(zhì)量轉移并不能解釋所有質(zhì)子在 DNA 中跳躍的現(xiàn)象。從本質(zhì)上講，與我們計算量子速率的數(shù)字相比，僅通過經(jīng)典熱力學導致的質(zhì)子在 DNA 中跳躍的概率非常低。換句話說，質(zhì)子隧穿可能比熱量自身驅(qū)動更多的質(zhì)子跳躍。
跳躍障礙
質(zhì)子隧穿依賴于不確定的量子質(zhì)量，不適用于更大的空間，例如：在較大的空間中，你可以確定火車的位置及其行駛速度，并利用這些信息，預測火車可時到達下一站。
然而，就亞原子粒子而言，它們的確切位置和速度無法同時計算出來，科學家僅能通過計算粒子以特定速度出現(xiàn)在某一特殊位置的概率，來捕捉到粒子的模糊圖像。在質(zhì)子隧穿的背景下，科學家可以計算出質(zhì)子在某個位置或者另一個位置的概率——理論上講，質(zhì)子存在于宇宙任何位置的概率都是非零的。
之前媒體曾報道稱，質(zhì)子隧穿意味著粒子可以穿過看似不應該通過的障礙，有時它們甚至可以跳躍障礙。
為了預測質(zhì)子在 DNA 中何時何處可能發(fā)生轉移，研究小組確定了粒子從 “穩(wěn)定”位置斷裂至 “不穩(wěn)定”位置所需的能量，該閾值就是所謂的 “能量位壘”，而反彈至穩(wěn)定狀態(tài)所需的能量就是 “反向拉壘”。
研究小組稱，與質(zhì)子隧穿相比，由熱量驅(qū)動的經(jīng)典質(zhì)子轉移的能量位壘非常高。預測的質(zhì)子隧穿率遠遠超過了經(jīng)典質(zhì)量轉移，如果不考慮隧穿率，質(zhì)子跳躍至另一個 DNA 堿基的概率將‘非常非常接近零’。
在作者計算的限制范圍內(nèi)，隧穿似乎在一對堿基之間的質(zhì)子轉移過程中起著中度至較大等級的作用。同時，研究小組還發(fā)現(xiàn)，A-T 對之間質(zhì)子隧穿的反向位壘比 G-C 要低很多，這意味著，如果一個質(zhì)子從一對電子的 A 端隧穿至 T 端，它將立即返回，反向位壘的能量較低，從而使質(zhì)子很容易會彈出其穩(wěn)定。
斯洛康姆說：“然而對于 G-C 堿基對，它有相當大的反向位壘，這意味著該狀態(tài)在相當長的一段時間內(nèi)是比較穩(wěn)定的，因此，一旦某個質(zhì)子跳躍了 G-C 堿基對的位壘，它可能在一段時間內(nèi)保持不穩(wěn)定的位置，如果這發(fā)生在 DNA 復制開始之前，質(zhì)子可能會在 DNA 鏈的‘錯誤的一側’。”
這是因為為了復制自己，DNA 首先會展開，破壞堿基對之間的鍵，然后，一種叫做聚合酶的物質(zhì)會突然出現(xiàn)，將新的堿基裝入開口槽中，就像拼圖游戲一樣。然而，問題是當聚合酶在一個不穩(wěn)定位置遇到一個質(zhì)子時，它可能會選擇錯誤的 “拼圖碎片”作為連接的堿基，例如：一個質(zhì)子可能跳躍到一個 G 堿基對，當聚合酶經(jīng)過的時候，聚合酶附著的是 T 堿基對，而不是 C 堿基對。
該項研究具有重要意義
依據(jù)教科書《基因分析導論》，生物學家詹姆斯 · 沃森和物理學家弗朗西斯 · 克里克首次發(fā)現(xiàn)了 DNA 復制中的這種錯誤，他們是最早進行 DNA 研究的專家，這項最新研究表明，質(zhì)子隧穿的作用——比熱力學作用更重要，可能是導致這些突變的原因。
因此在分裂過程之前，DNA 存在一個脆弱時刻，此時量子效應具有重要意義。
選擇錯誤的 “拼圖碎片”作為連接的堿基從而產(chǎn)生的點突變可能是無關緊要的，不會改變細胞的功能或者構建蛋白質(zhì)的方式，但研究人員稱，它們也可能是毀滅性的，會導致鐮狀細胞性貧血等疾病和非小細胞肺癌等特定類型的癌癥，在某些情況下，點突變也可能是十分有益的。
盡管如此，科學家仍不知道一個質(zhì)子需要在不穩(wěn)定位置停留多長時間才能真正發(fā)生點突變，海伊指出，最新研究僅模擬 DNA 鏈的一小部分，為了深入了解質(zhì)子隧穿發(fā)生的頻率，必須模擬整個系統(tǒng)。
目前，斯洛康姆和同事致力地對堿基對周圍更大的環(huán)境進行建模，通過這種方式，他們可以理清量子物理學、經(jīng)典物理學與 DNA 之間的關系，如何通過不同的機制驅(qū)動質(zhì)子跳躍，該研究有助于揭曉什么條件下質(zhì)子轉移更容易發(fā)生，以及該現(xiàn)象觸發(fā)有害基因突變的頻率，這是一個至關重要的問題。
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