„Erschreckende“ Quantenbiologie kann dazu führen, dass Ihre DNA mutiert

Kann die Quantenmechanik – ein Gebiet, das einst von Albert Einstein als „beängstigend“ verspottet wurde – uns auf ganz persönliche Weise berühren? Sehr wahrscheinlich. Theoretische Forschungen deuten allmählich darauf hin, dass quantitative Effekte zu Mutationen in der menschlichen DNA führen können. Wenn dies zutrifft, könnte dies unser Verständnis von Krebs, genetischen Krankheiten und sogar den Ursprüngen des Lebens verändern.

Wissenschaftler dachten einst, biologische Systeme seien zu warm, feucht und chaotisch, um seltsame Quanteneffekte wie Protonentunneln zu erleben, bei dem sich die Wellenform eines Teilchens ausbreitet und es ihm ermöglicht, die Energiebarriere zu passieren, die normalerweise seinen Durchgang blockiert. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Temperatur und das Chaos, desto geringer der Quanteneffekt; Daher glaubten Wissenschaftler viele Jahre lang, dass quantitative Verhaltensweisen im menschlichen Körper zu gering seien, um eine Rolle zu spielen.

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Aber Sie können nicht finden, was Sie nicht suchen. Wenn Quantenphysiker beginnen, einen Blick auf die chaotische und komplexe Welt der Biologie zu werfen, stellen sie fest, dass die Quantenmechanik sogar in unserer DNA eine Rolle spielt. Willkommen in der Welt der Quantenbiologie.

Eine Einführung in Punktmutationen

Die ikonische DNA-Doppelhelix besteht aus zwei gewundenen Molekülsträngen mit Bits in der Mitte, die sich wie Puzzleteile verbinden, jeder mit einer von vier verschiedenen Formen, die mit einem Buchstaben benannt sind. T-Formen verbinden sich mit A-Formen und G-Formen verbinden sich mit C-Formen und bilden sogenannte “Basenpaare”. Diese kleinen Molekülzweige sind durch schwache Anziehungskräfte zwischen Wasserstoffatomen verbunden, die ein Proton und ein Elektron haben.

Manchmal tritt ein Fehler auf und die Zeichen werden falsch gepaart – ein Fehler, den wir Punktmutation nennen. Punktmutationen können sich aufbauen und Probleme mit der DNA verursachen, was manchmal zu Krebs oder anderen Gesundheitsproblemen führt. Punktmutationen sind häufig das Ergebnis von Fehlern während der DNA-Replikation und können auch durch die Einwirkung von Röntgenstrahlen, ultraviolettem Licht oder irgendetwas entstehen, das atomare Partikel dazu anregt, sich von ihren organisierten Orten zu entfernen.

Quantenbiologie

Seit 50 Jahren diskutieren Forscher darüber, ob das Wechseln von Protonen zwischen schwach verknüpften DNA-Strängen Punktmutationen verursachen kann. Die Antwort schien nein zu sein. Mehrere Studien kamen zu dem Schluss, dass die aus dem Protonenwechsel resultierenden intermediären Basenpaarzustände zu instabil und kurzlebig waren, um in DNA repliziert zu werden. Aber eine neue Studie in der Zeitschrift veröffentlicht Kommunikationsphysik Er fand heraus, dass diese Zustände repetitiv und stabil sein können und dass Quantenprozesse ihre Bildung vorantreiben können.

Die Forscher modellierten den Protonentransport zwischen den Wasserstoffbrückenbindungen des G:C-Basenpaars in einem endlosen Meer aus federartigen Schwingungsteilchen, was für die chaotische Zellumgebung verantwortlich ist. Ihre Berechnungen zeigen, dass die Übertragung eines Protons durch Quantentunneln für die G:C-Übergänge im Zentrum der DNA-Helix sehr schnell erfolgen kann – innerhalb weniger hundert Femtosekunden oder 0,000000000000001 Sekunden. Diese Rate ist viel schneller als unser biologischer Zeitplan.

Diese Transformation passiert sehr schnell und oft mit unserer DNA, es „sieht“ so aus, als ob ein Prozentsatz von Protonen immer ihre Nachbarn besucht, genauso wie ein Bild auf einem Bildschirm mit einer Geschwindigkeit blinken kann, die unseren Augen konstant erscheint. Diese ultraschnelle Verschiebung der Protonen von einer Seite der Brücke zur anderen führt dazu, dass die Basenpaare ständig zwischen ihrer ursprünglichen Form und ihrer leicht veränderten Form wechseln. Diese Zwischenformen können Fehlpaarungen während der DNA-Replikation verursachen, wenn die Stränge geöffnet, gelesen und transkribiert werden.

Anstatt die Protonen am Tunneln zu hindern, kann unsere biologische Wärme als Quelle der thermischen Aktivierung dienen und den Protonen genug Energie geben, um zur anderen Seite zu gelangen. Tatsächlich ist die Übertragung eines Protons durch Quantentunneln viermal mehr als von der klassischen Physik vorhergesagt. Diese Unfälle sind nicht nur häufig, sondern auch langlebig. Aufbauend auf früheren Computerstudien spekulieren die Forscher, dass diese molekularen Veränderungen lange genug stabil sein müssen, damit sie erneut auftreten und die Mutation verursachen.

Es gibt zwei grundlegende Einschränkungen bei der Arbeit. Erstens untersuchten die Forscher keine A:T-Basenpaare, was darauf hindeutet, dass der Zwischenzustand für diese Bindungen sehr instabil ist und wahrscheinlich keine Rolle bei DNA-Mutationen spielt. Zweitens wird diese theoretische Arbeit empirische Tests verwenden, um Ergebnisse zu validieren oder in Frage zu stellen.

Wie viele Beileidsbekundungen?

Basierend auf den Berechnungen des Teams sollten Punktmutationen in unserer DNA häufiger auftreten als sie es tun. Forscher führen diesen Unterschied auf “hocheffiziente DNA-Reparaturmechanismen” zurück, die Schäden erkennen und unterbrechen. Zum Beispiel enthält unsere DNA-Klonmaschinerie eine „Korrekturlese“-Funktion, bei der Fehler erfasst und korrigiert werden – ähnlich wie ein Tippfehler. Gott sei Dank für biologische Lektoren.

Die Leichtigkeit des Protonentunnelns und die Langlebigkeit dieser Zwischenzustände könnten für Studien zum Ursprung des Lebens relevant sein, da die Rate der frühen Evolution mit der Mutationsrate einzelsträngiger RNA zusammenhängt, schrieben die Forscher. Obwohl die Quantenwelt seltsam und weit entfernt erscheinen mag, könnte sie eine Rolle dabei gespielt haben, uns Leben zu geben – und es uns auch zu nehmen.

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