Kuantum Fiziğinin Bir Tuhaflığı Sayesinde Çok Sayıda Genetik Mutasyon Gerçekleşiyor

Hatalar olur. Özellikle de hücrelerimizin içindeki geniş DNA dizilerinin replikasyonu söz konusu olduğunda. Bu da iyi bir şey. Genlerimizdeki mutasyon dediğimiz hatalar olmasaydı, doğal seleksiyon gerçekleşmez ve sudaki yaşam ölürdü.

Mutasyonlar hastalıktan biyolojik çeşitliliğe kadar her şey için ne kadar önemliyse, sürecin fiziği hakkında şaşırtıcı derecede az şey biliyoruz.

Birleşik Krallık'taki Surrey Üniversitesi'nden elde edilen bulgular, bir kodlanmış tabanı kendiliğinden diğerine değiştiren kimyanın arkasındaki birincil tetikleyicinin doğadaki kuantum olduğu yönündeki spekülasyonları yeniden canlandırdı.

Spesifik olarak, mutasyon sürecinin önemli bir kısmı, DNA'nın bükülmüş merdiven yapısının 'basamaklarını' oluşturmak için genetik bazları birbirine yapıştıran tek bir hidrojenin yer değiştirmesidir. Bu, kalıcı değişikliklere izin veren zaman ölçeklerinde guanin ve sitozinin genetik bazları arasındaki bağları kopararak tünel oluşturma işlemi yoluyla gerçekleşir.

Kuantum tünelleme, sınırlı koşullar altında bir parçacığın özelliklerindeki belirsizliğin doğal bir sonucudur.

Proton gibi atom altı bir nesneyi yakınlaştırın ve konumu giderek belirsizleşir.

Bu ölçekteki nesneler teorik olarak sınırlayıcı bir bariyerin sınırlarının ötesinde var olabilir ve perili bir evin içinden geçen bir hayalet kadar kolay bir şekilde duvarlardan "tünel" geçer gibi görünür.

Kuantum düzeyinde gerçekliğin temel bir özelliği olmasına rağmen, bir parçacığın özelliklerinin sıcak, gürültülü ortamlarda itişip kakışan diğer parçacıklarla nasıl karıştığı, onun makro Evrene kolayca ölçeklenmemesini sağlar.

Ya da uzun zamandır öyle sanıyorduk.

Kimyager Marco Sacchi, "Biyologlar tipik olarak tünellemenin yalnızca düşük sıcaklıklarda ve nispeten basit sistemlerde önemli bir rol oynamasını beklerler" diyor.

"Bu nedenle, DNA'daki kuantum etkilerini göz ardı etme eğilimindeydiler. Çalışmamızla, bu varsayımların tutmadığını kanıtladığımıza inanıyoruz."

Ekibin guanin ve sitozin bazları arasındaki bağların değişimine ilişkin teorik modellemesi, bu yaygın mutasyon biçiminin arkasındaki kimyayı çevreleyen çeşitli varsayımlara meydan okuyor.

DNA'nın yapılarını ve kimyasını incelemenin ilk günlerinden beri, bilim insanları, mutasyonun birincil nedeninin, karşıt DNA iplikçiklerindeki bazları birbirine bağlayan hidrojenlerin yer değiştirmesi olduğunu düşündüler.

Bu hareket, tabanı bir tautomere - daha önce olduğu gibi aynı şekle sahip ancak ince, farklı bir element konfigürasyonuna sahip yeni bir moleküle dönüştürebilir.

Hidrojenlerin, şaşırtıcı bir şekilde bir kuantum tünelleme olayına benzeyen bir işlem olan çift proton transferi adı verilen bir işlem yoluyla iplikler arasındaki sınırı aştığı düşünülmektedir.

Ancak biyolojik sistemlerin böyle bir kuantum olayının gerçekleşmesi için çok sıcak ve meşgul olduğu varsayımı bir yana, bu şekilde meydana gelen herhangi bir çift proton transferi, hücrenin düzenleme enzimleri tarafından ortadan kaldırılmalıdır.

Sürecin arkasındaki fiziğe daha dikkatli bakan araştırmacılar, tipik bir hücrenin sıcaklık koşulları altında, kuantum etkilerinin protonların yüksek bir hızda ileri geri hareket etmesine ve bazların tautomerlerinde bulanıklaşmasına neden olması gerektiğini gösterdiler.

Bir tautomer olarak harcanan zaman uçup gittiği için, bir DNA zincirini kopyalayan replikasyon makinesi onun varlığını pek fark etmeyecektir.

Yine de bu süreç bazlar arasında bir tür dengesizliğe yol açarsa, bir bazın ve onun tautomerinin oranlarını bir şekilde değiştirirse, kaymanın bir mutasyon olarak yerine kilitlenmesi oldukça olasıdır.

Dahası, matematiksel olarak konuşursak, her bazın hayaletimsi tautomer versiyonlarının varlığı, bu belirli mutasyon kategorisinin bizim fark ettiğimizden çok daha yaygın olması için yeterince büyüktür.

Çalışmada yapılan tahminleri doğrulamak için, özellikle farklı sıcaklıklarda proton atlama oranları gibi şeyler hakkında gelecekteki deneyler gerekecek.

Ayrıca, kuantum etkilerinin baz çiftlerindeki diğer değişikliklerde veya hatta diğer mutasyon türlerinde bir rol oynayıp oynamadığının gösterilmesi gerekiyor.

Biyologlar, kuantum belirsizliğinin bir dizi biyokimyasal süreçte oynadığı rolün yavaş yavaş farkına varıyorlar.

Kuantum evreninin sınırlarının hayal edebileceğimiz kadar katı olmadığı giderek daha açık hale geliyor.

Bu araştırma Nature Communications'da yayınlandı.