Mecanica cuantică descrie lumea bizară a atomilor și particulelor subatomice și 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 explicație cu privire la schimbările care pot apărea spontan în catenele ADN, rezultând așa-numitele mutații punctuale.

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

Astfel, bazele azotate sau "literele" care formează catenele ADN formează legături greșite atunci când ADN-ul este replicat. Aceste baze azotate formează de obicei doar anumite perechi: A (adenină) cu T (timină) și 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 și transferul de protoni în perechile de baze (azotate) ce formează ADN-ul", conform lui Sam Hay, profesor de chimie computațională și teoretică în cadrul Universității din Manchester, care nu a fost implicat însă în acest nou studiu. "Acest studiu folosește 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 părți ale dublu-helixului de ADN și nici perechile plasate în alte părți 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 susținut el.

Tentativa de explicare oferită de fizica clasică

Perechile de baze azotate care formează ADN-ul sunt unite la mijloc prin punți de hidrogen - o forță de atracție relativ slabă între atomii de hidrogen și moleculele din baze. Aceste legături pot fi rupte de căldură, pentru că, pe măsură ce temperatura crește, moleculele își intensifică vibrațiile și agitarea, ceea ce poate duce la desprinderea unor atomi de hidrogen din poziția în care se aflau.

"Ne putem gândi la un mediu în care totul vibrează, totul se agită.... totul este dinamic și se mișcă", susține co-autorul acestui studiu, Louie Slocombe, student doctoral la Centrul de Bilogie Cuantică al Universității din Surrey (Anglia). Atomii se agită la orice temperatură deasupra lui zero absolut (-273,15 °C) pentru că energia lor cinetică (mișcarea) este amplificată de căldură.

Conform termodinamicii clasice, această agitație le permite uneori atomilor de hidrogen să sară pe noi poziții în ADN, unde formează noi punți pentru scurt timp. Însă apoi atomii sar înapoi pe pozițiile originare. Din cauza structurii moleculare a bazelor azotate din ADN , atomii de hidrogen tind să se oprească într-o poziție oarecum "stabilă" între perechi, unde rămân majoritatea timpului și de unde evadează foarte rar pe poziții neobișnuite, "instabile".

Atomii de hidrogen conțin un singur proton, un electron și niciun neutron. În timpul formării catenelor ADN acești 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 formați 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 cunoaște cu precizie poziția unui tren și viteza cu care se deplasează acesta și, pornind de la aceste informații, poate formula predicții cu privire la momentul în care respectivul tren va ajunge în stația următoare.

Însă, atunci când ne aflăm în lumea particulelor subatomice, locația lor următoare și viteza nu pot fi calculate în același timp; oamenii de știință 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 poziție 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 și când ar trece prin ziduri.

Pentru a prezice când și unde s-ar putea produce un transfer de proton în ADN, echipa a determinat nivelul de energie necesar pentru particule astfel încât acestea să-și părăsească pozițiile "stabile" și să ocupe poziții "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 comparație 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 și 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 ușurință înapoi, la poziția stabilă.

"În schimb pentru perechea G-C, bariera de inversare este mult mai ridicată, ceea ce înseamnă că noua poziție 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 greșită a catenei", a explicat Slocombe.

Acest lucru se întâmplă ținând cont de particularitățile de replicare ale ADN-ului. Pentru a face o copie a sa, dublul helix se desface mai întâi, fiind rupte punțile dintre perechile azotate. Apoi o enzimă denumită polimerază începe să grupeze noi baze în locurile libere, refâcând catenele ca pe un joc puzzle. Atunci când polimeraza întâlnește un proton rămas într-o poziție instabilă, poate selecta piesa greșită de puzzle pentru baza atașată. Spre exemplu, un proton poate sări pe un G și atunci când este întâlnit de polimerază, enzima îi atașează un T în loc de un C și nu își dă seama de eroare.

Acest tip de eroare în replicarea ADN-ului a fost observată prima oară de biologul James Watson și 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 apariția mutațiilor la nivelul ADN-ului.

Sursa:Agerpres