量子生物學解釋了DNA突變

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量子生物學家發現氫鍵的質子隧穿可能會導致DNA突變

抽象過程內部視圖-黑色背景上的3D渲染抽象圖像，大型強子對撞粒子流，質子束，希格斯玻色子，核研究，超對稱理論概念。全息圖視圖。來源：koto_feja/蓋蒂圖片社

DNA突變可能會在世界各地產生嚴重的健康後果，包括先天缺陷和癌症，但它們是由複雜的因素網絡引起的。現在，在一項創新的跨學科研究中，一組量子生物學家團隊將理論物理建模應用於DNA複製，以揭示原子層面上起作用的一些機制。

什麼是量子生物學？

量子物理學是物質和能量在原子和亞原子層面的性質和行爲，通常由量子理論解釋。量子生物學是一個新興的多學科科學領域，彙集了核物理學家、生物化學家和分子生物學家，探索量子力學如何在活細胞中發揮作用。

薩里郡Leverhulme量子生物學博士培訓中心（LQBDTC）的一個團隊使用最先進的計算機模擬和量子力學，探索了質子隧穿如何與DNA突變聯繫起來。該研究論文發表在《物理化學化學物理學》上。

什麼是質子隧道？

質子隧穿是指質子從一個地點瞬間消失，以及同一質子在附近地點穿過屏障的出現。質子比電子大2000倍，因此發生的可能性要低得多，特別是如果勢壘的寬度減小的話。質子隧穿與氫鍵有關，其中沒有電子的氫原子被簡化爲質子，這賦予它穿越這個邊界的潛力，又名隧道。

這與DNA有什麼關係？

我們的DNA（脫氧核糖核酸）由兩股互補鹼組成，腺嘌呤-胸腺嘧啶（A-T）和鳥嘌呤-胞嘧啶（G-C），它們通過氫鍵結合在一起。氫鍵不是化學鍵，而是很容易破壞的靜電力。在某些情況下，通過質子隧穿，氫原子可以同時存在於多個位置，像波一樣擴散。這可能導致原子出現在錯誤的DNA鏈上，這可能導致互變性體，也就是僅在該鏈上發生的突變。DNA複製，每108-1011個鹼基複製一次，就會發生自發突變。聽起來感覺發生突變很少，但每個人類細胞中的DNA長約30億個核苷酸，每天覆制約2萬億次，這意味着它每天大約發生20次。更好地瞭解這個過程有可能降低突變發生的可能性，從而減少其嚴重的健康後果。

薩里大學項目負責人兼皇家學會研究員Marco Sacchi博士表示：“許多人長期以來一直懷疑量子世界——奇怪、違反直覺和美妙——在生活中發揮着我們所知的作用”。“雖然對我們許多人來說，一些東西可以同時出現在兩個地方的想法可能是荒謬的，但這在量子世界中一直髮生，他們的研究證實，量子隧穿也發生在室溫下的DNA中”。

G-C質子在給定電位上隧穿。來源：Slocombe等人2022/物理化學化學物理

但這一切意味着什麼？

根據該研究的合著者之一、LQBDTC的博士生Louie Slocombe的說法：“要了解生物過程如何在亞原子層面上發揮作用，我們還有很長的路要走，但他們的研究——以及近年來無數其他研究——已經證實了量子力學正在發揮作用。將來，他們希望研究量子隧穿產生的互變異構體如何傳播和產生遺傳突變”。

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