1953 年，美國生物學(xué)家詹姆斯沃森（James Watson）和英國生物學(xué)家弗朗西斯克里克（Francis Crick）首次提出了攜帶有合成核糖核酸（RNA）和蛋白質(zhì)所必需遺傳信息的脫氧核糖核酸（DNA）雙螺旋結(jié)構(gòu)，不僅揭開了人類基因遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，還使得遺傳研究邁進(jìn)分子生物學(xué)的階段。
作為維持生物體正�；顒�(dòng)的重要大分子，DNA 在不斷進(jìn)行高精度的復(fù)制，然而該過程有時(shí)會(huì)出錯(cuò)而產(chǎn)生基因突變，在促進(jìn)生物世界多樣性的同時(shí)，還會(huì)帶來多種疑難疾病等危害，也影響到 DNA 的遺傳穩(wěn)定性。
近日，來自英國薩里大學(xué)勒沃霍爾姆量子生物學(xué)博士培訓(xùn)中心（Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Centre）的科學(xué)家首次經(jīng)過計(jì)算建模得出，基因突變可能受量子力學(xué)影響。研究中，薩里大學(xué)博士路易斯洛克姆（Louie Slocombe）在該校物理系教授吉姆阿爾哈利利（Jim Al-Khalili）和化學(xué)系博士馬可薩基士（Marco Sacchi）的指導(dǎo)下完成了數(shù)據(jù)的具體量化。
相關(guān)論文以《DNA 中質(zhì)子隧穿的開放量子系統(tǒng)方法》（An open quantum systems approach to proton tunnelling in DNA）為題發(fā)表在Nature旗下的Communications Physics上 [1]。
圖 | 相關(guān)論文（來源：Communications Physics）
據(jù)了解，DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)是兩條反向平行的鏈，這兩條鏈以氫鍵將 4 種被稱為堿基的分子進(jìn)行連接。一般情況下，DNA 的堿基腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鳥嘌呤（G）、胞嘧啶（C） 之間有固定的配對規(guī)則，如 A 總是與 T 配對；C 總是與 G 配對。但當(dāng)氫鍵的性質(zhì)出現(xiàn)一些變化時(shí)，上述的堿基配對規(guī)則有可能被破壞，從而發(fā)生基因突變的情況。
之前，克里克和沃森曾提出預(yù)測，DNA 突變或與量子力學(xué)的某種現(xiàn)象相關(guān)。而此次研究中，薩里大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過計(jì)算建模具體量化了該過程。
據(jù)悉，該團(tuán)隊(duì)對鳥嘌呤-胞嘧啶（GC）核苷酸對之間的氫鍵展開了詳細(xì)分析，其中包括堿基對結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確模型、氫鍵質(zhì)子的量子動(dòng)力學(xué)以及去相干和耗散細(xì)胞的影響。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，DNA 雙鏈的氫鍵有萬分之 1.73 的可能性會(huì)發(fā)生改變。DNA 復(fù)制過程中，質(zhì)子可能從雙鏈的一側(cè)跳躍到另一側(cè)，若質(zhì)子是在雙鏈被斷開之前進(jìn)行了這一動(dòng)作，則這些質(zhì)子可能會(huì)隧穿氫鍵并改掉 DNA 上的堿基，使得其雙鏈上的堿基不相配，從而造成基因突變。
研究人員表示，萬分之 1.73 的概率體現(xiàn)出，質(zhì)子轉(zhuǎn)移對 DNA 突變造成的影響比科學(xué)家想象中的要大得多。對此，阿爾哈利利評價(jià)道，“沃森和克里克在 50 多年前就提到了 DNA 中量子力學(xué)效應(yīng)的存在以及重要性，然而這種量子力學(xué)效應(yīng)在很大程度上被忽視了。”
圖 | 鳥嘌呤-胞嘧啶質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)示意圖（來源：Communications Physics）
值得一提的是，該團(tuán)隊(duì)在研究中運(yùn)用了名為“開放量子系統(tǒng)”（open quantum systems）的方法，得出質(zhì)子在 DNA 雙鏈之間的活動(dòng)機(jī)理，即“氫鍵質(zhì)子是基于量子物理學(xué)中的隧穿效應(yīng)才得以跳躍，這些質(zhì)子可能總是以量子隧穿的方式不斷地在 DNA 的雙鏈之間來回穿梭”。
量子隧穿效應(yīng)（Quantum tunneling effect）是現(xiàn)代電子學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)之一，被用于掃描隧道顯微鏡的制備等。具體來說，該效應(yīng)指在特定條件下，某微觀粒子“跳躍”原本沒有能力越過的勢壘阻礙，就好比一個(gè)位于山峰左側(cè)的粒子，常規(guī)來說其到不了山的右側(cè)，但卻突然抵達(dá)了山的右側(cè)。
有趣的是，最初科學(xué)家表示，由于活體生物細(xì)胞內(nèi)的一些環(huán)境特性，量子隧穿效應(yīng)發(fā)生在其中的可能性很校1944 年，奧地利物理學(xué)家歐文薛定諤（Erwin Schrdinger）提出，量子隧穿效應(yīng)是有可能在其中起到一定作用的。而本次研究團(tuán)隊(duì)得出的結(jié)果與薛定諤的理論是一致的。
對此，薩基士表示，“正是因?yàn)橐酝飳W(xué)家認(rèn)為，只有在低溫和相對簡單的系統(tǒng)中，隧穿效應(yīng)才能發(fā)揮重要作用，所以他們傾向于低估 DNA 中的量子效應(yīng)。通過本次的研究，我們相信已經(jīng)證明了這些假設(shè)并不成立。”
圖 | 互變異構(gòu)占據(jù)的概率（來源：Communications Physics）
研究人員將質(zhì)子被修改過的堿基叫作“互變異構(gòu)體”，其可以導(dǎo)致 DNA 發(fā)生轉(zhuǎn)錄錯(cuò)誤及基因突變的情況。該團(tuán)隊(duì)稱，“量子隧穿對質(zhì)子傳輸速率的貢獻(xiàn)比經(jīng)典的越障跳躍大幾個(gè)數(shù)量級，且 GC 的規(guī)范和互變異構(gòu)體在時(shí)間尺度上比生物形式更短，能夠迅速達(dá)到熱平衡。”
總的來說，這項(xiàng)研究進(jìn)一步說明了量子隧穿效應(yīng)和氫鍵質(zhì)子轉(zhuǎn)移，對基因突變的形成起到了關(guān)鍵作用。未來，該研究或推動(dòng)基因突變模型的發(fā)展并在其中扮演重要角色。
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專業(yè)支持：秦九方
參考：
1.Slocombe, L., Sacchi, M. & Al-Khalili, J. An open quantum systems approach to proton tunnelling in DNA.Commun Phys5, 109（2022）. https://doi.org/10.1038/s42005-022-00881-8
