量子力学可以解释为什么DNA会自发变异

诸平

3D-model of DNA. Credit: Michael Ströck/Wikimedia/ GNU Free Documentation License

据英国萨里大学（University of Surrey）2022年5月5日提供的消息，量子力学可以解释为什么DNA会自发变异（Quantum mechanics could explain why DNA can spontaneously mutate）。

生命分子—DNA以惊人的精度复制，但这一过程也不能避免错误，并可能导致突变。萨里大学的一组物理学家和化学家利用复杂的计算机建模技术表明，这种复制过程中的错误可能是由于量子世界的奇怪规则（strange rules）造成的。

著名的DNA双螺旋结构的两条链是由一种叫做质子（protons）的亚原子粒子（subatomic particles）连接在一起的，质子是氢原子的原子核，它提供了一种粘合剂，将被称为碱基的分子连接在一起。这些所谓的氢键就像扭曲的梯子的梯级，组成了双螺旋结构，由詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）在罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Franklin）和莫里斯·威尔金斯（Maurice Wilkins）的工作基础上于1952年发现。

通常，这些DNA碱基(被称为A、C、T和G)在结合时遵循严格的规则:A总是与T键合和C总是与G键合。这种严格配对是由分子的形状决定的,拟合在一起像块拼图,但是如果氢键的性质略有变化,这可能会导致配对规则分解,导致错误的碱基连接,因此造成突变。虽然克里克和沃森已经做出了预测，但直到现在，复杂的计算模型才能够准确地量化这一过程。

作为萨里大学量子生物学这一激动人心的新领域研究项目的一部分，该研究小组已经表明，DNA链之间的化学键的这种修改比迄今为止所认为的要普遍得多。质子可以轻易地从它们通常位于能量势垒一侧的位置跃迁到能量势垒的另一侧。如果这恰好发生在复制过程的第一步，即两条链被拉开拉链之前，那么错误就会通过细胞内的复制机制，导致所谓的DNA不匹配，甚至可能发生突变。

2022年5月5日发表在《通信物理学》(Communications Physics)杂志网站上的一篇论文——Louie Slocombe, Marco Sacchi, Jim Al-Khalili. An open quantum systems approach to proton tunnelling in DNA. Communications Physics, Published: 05 May 2022, 5, Article number: 109. DOI: 10.1038/s42005-022-00881-8. http://www.nature.com/articles/s42005-022-00881-8.其中，位于勒维休姆量子生物学博士培训中心（Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Center）的萨里研究小组，使用了一种称为开放量子系统的方法，来确定可能导致质子在DNA链之间跳跃的物理机制。但是，最有趣的是，这要归功于一种著名的、几乎是神奇的量子机制——隧穿（tunneling）——类似于幽灵穿过一堵坚固的墙——它们得以通过。

以前人们认为，这种量子行为不可能在活细胞温暖、潮湿和复杂的环境中发生。然而，奥地利物理学家欧文·薛定谔（Erwin Schrödinger）在他1944年的著作《生命是什么?》（What is Life?）一书中指出，量子力学可以在生命系统中发挥作用，因为它们的行为与无生命物质非常不同。这项最新的研究似乎证实了薛定谔的理论（Schrödinger's theory）。

在他们的研究中，作者确定，局部的细胞环境导致行为类似于传播波的质子被热激活并鼓励通过能量屏障。事实上，质子被发现是连续且非常迅速地在两条链之间隧穿。然后，当DNA分裂成独立的链时，一些质子被捕获在错误的一侧，导致错误。

路易·斯罗康布博士（Dr. Louie Slocombe）在攻读博士学位期间进行了这些计算，他解释说:“DNA中的质子可以沿着DNA中的氢键隧穿，并修改编码遗传信息的碱基。这些修饰过的碱基被称为“互变异构体（tautomers）”，可以在DNA裂解和复制过程中存活，导致“转录错误（transcription errors）”或突变。

路易·斯罗康布博士在萨里大学的勒维休姆量子生物学博士培训中心的工作是由物理学教授吉姆·阿尔-哈利利（Jim Al-Khalili）和化学博士马尔科·萨奇（Marco Sacchi）指导的。

吉姆·阿尔-哈利利教授评论说:“沃森和克里克在50多年前就推测了DNA中量子力学效应的存在和重要性，然而，这种机制在很大程度上被忽视了。”

马尔科·萨奇博士继续说:“生物学家通常认为，只有在低温和相对简单的系统中，隧穿效应才能发挥重要作用。因此，他们倾向于低估DNA中的量子效应。通过我们的研究，我们相信我们已经证明这些假设是不成立的。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

一项新的研究表明，量子物理可以导致我们的DNA突变（A new study reveals that quantum physics can cause mutations in our DNA）

Abstract

One of the most important topics in molecular biology is the genetic stability of DNA. One threat to this stability is proton transfer along the hydrogen bonds of DNA that could lead to tautomerisation, hence creating point mutations. We present a theoretical analysis of the hydrogen bonds between the Guanine-Cytosine (G-C) nucleotide, which includes an accurate model of the structure of the base pairs, the quantum dynamics of the hydrogen bond proton, and the influence of the decoherent and dissipative cellular environment. We determine that the quantum tunnelling contribution to the proton transfer rate is several orders of magnitude larger than the classical over-the-barrier hopping. Due to the significance of the quantum tunnelling even at biological temperatures, we find that the canonical and tautomeric forms of G-C inter-convert over timescales far shorter than biological ones and hence thermal equilibrium is rapidly reached. Furthermore, we find a large tautomeric occupation probability of 1.73×10⁻⁴, suggesting that such proton transfer may well play a far more important role in DNA mutation than has hitherto been suggested. Our results could have far-reaching consequences for current models of genetic mutations.