量子力學可以解釋為什麼DNA可以自發突變

生命的分子，DNA，以驚人的精度複製，但這個過程也不能免受錯誤的影響，並可能導致突變。薩里大學的一組物理學家和化學家使用複雜的計算機建模表明，由於量子世界的奇怪規則，複製中的這種錯誤可能會出現。

著名的DNA雙螺旋的兩條鏈通過稱為質子的亞原子粒子（氫原子的原子核）連接在一起，質子提供了將稱為鹼基的分子粘合在一起的膠水。這些所謂的氫鍵就像一個扭曲的梯子的梯級，構成了詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克在1952年根據羅莎琳德·富蘭克林和莫里斯·威爾金斯的工作發現的雙螺旋結構。

通常，這些DNA鹼基（稱為A，C，T和G）遵循關於它們如何結合在一起的嚴格規則：A總是與T結合，C總是與G結合。這種嚴格的配對是由分子的形狀決定的，將它們像拼圖中的碎片一樣組裝在一起，但是如果氫鍵的性質略有變化，這可能導致配對規則崩潰，導致錯誤的鹼基被連結，從而導致突變。雖然由Crick和Watson預測，但直到現在，複雜的計算建模才能夠準確地量化這一過程。

該團隊是薩里在令人興奮的量子生物學新領域的研究計劃的一部分，他們已經表明，DNA鏈之間鍵的這種修飾比迄今為止認為的要普遍得多。質子可以很容易地從能量屏障一側的通常位置跳到另一側。如果這種情況發生在複製過程的第一步中兩條鏈被解壓縮之前，那麼錯誤可能會通過細胞中的複製機制，導致所謂的DNA不匹配，並可能導致突變。

發表在《通信物理學》（Communications Physics）雜誌上的一篇論文中，位於Leverhulme量子生物學博士培訓中心的薩里團隊使用了一種稱為開放量子系統的方法來確定可能導致質子在DNA鏈之間跳躍的物理機制。但是，最有趣的是，正是由於一種眾所周知但幾乎神奇的量子機制，稱為隧穿 – 類似於幻影穿過堅固的牆壁 – 他們才設法穿越。

以前人們認為，這種量子行為不可能發生在活細胞溫暖、潮濕和複雜的環境中。然而，奧地利物理學家歐文·薛丁格（Erwin Schrödinger）在他1944年出版的《生命是什麼？》一書中提出，量子力學可以在生命系統中發揮作用，因為它們的行為與無生命物質截然不同。這項最新工作似乎證實了薛丁格的理論。

在他們的研究中，作者確定局部細胞環境導致質子（其行為類似於擴散波）通過能量屏障被熱激活和鼓勵。事實上，質子被發現在兩條鏈之間連續且非常快速地來回隧道。然後，當DNA被切割成單獨的鏈時，一些質子被捕獲在錯誤的一側，導致錯誤。

Louie Slocombe博士在博士期間進行了這些計算，他解釋說：「DNA中的質子可以沿著DNA中的氫鍵隧道，並修改編碼遺傳信息的鹼基。修飾的鹼基被稱為「互變異構體」，可以在DNA切割和複製過程中存活下來，導致「轉錄錯誤」或突變。

Slocombe博士在薩里的Leverhulme量子生物學博士培訓中心的工作由Jim Al-Khalili教授（薩里物理學）和Marco Sacchi博士（薩里化學）監督。

Al-Khalili教授評論說：「沃森和克里克早在50多年前就推測了DNA中量子力學效應的存在和重要性，然而，這種機制在很大程度上被忽視了。

Sacchi博士繼續說道：「生物學家通常認為隧道只有在低溫和相對簡單的系統中才能發揮重要作用。因此，他們傾向於低估DNA中的量子效應。通過我們的研究，我們相信我們已經證明這些假設並不成立。