「不気味な」量子生物学はあなたのDNAを突然変異させるかもしれません

アルバート・アインシュタインがかつて「不気味な」と非難した分野である量子力学は、非常に個人的な方法で私たちに影響を与えることができますか? かなり可能性があります。 理論的研究は、量子効果がヒトDNAの突然変異を引き起こす可能性があることを示唆し始めています。 もしそうなら、これは私たちが癌、遺伝病、さらには生命の起源を理解する方法を変える可能性があります。

科学者たちはかつて、生物系が暖かく、湿っていて、混沌としているため、通常は粒子の通過を妨げるエネルギー障壁を越えて粒子の波形が広がり、プロトントンネリングのような奇妙な量子効果を体験できないと考えていました。 一般に、周囲の熱とカオスが多いほど、量子効果は小さくなります。 そのため、何年もの間、科学者たちは人体では量子の振る舞いは小さすぎて問題にならないだろうと考えていました。

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しかし、あなたはあなたが探していないものを見つけることができません。 量子物理学者が生物学の乱雑で複雑な世界を突くようになると、彼らは私たちのDNAの中でも、量子力学が働いていることに気づきます。 量子生物学の世界へようこそ。

点突然変異の入門書

DNAの象徴的な二重らせんは、パズルのピースのように接続されたビットが中央にある2つのコイル状の分子ストランドによって形成され、それぞれが文字で名前が付けられた4つの異なる形状のいずれかを持ちます。 T字型はA字型に結合し、G字型はC字型に接続して、「塩基対」と呼ばれるものを形成します。 これらの小さな分子の枝は、単一の陽子と電子を持つ水素原子間の弱い引力を介して接続します。

時々、エラーが発生し、文字が正しくペアリングされません—私たちが点突然変異と呼ぶ間違いです。 点突然変異は、DNAに問題を引き起こし、時には癌やその他の健康上の問題を引き起こす可能性があります。 ほとんどの場合、DNA複製中のミスの結果であり、点突然変異は、X線被曝、UV放射、または原子粒子を励起して整然とした場所から移動させるものによっても引き起こされる可能性があります。

量子生物学

50年間、研究者たちは、DNAの弱く結合した鎖の間で位置を切り替えるプロトンが点突然変異を引き起こす可能性があるかどうかについて議論してきました。 答えはノーのようでした。 多くの研究は、プロトンスイッチングによって作成された中間の塩基対状態は不安定すぎて短命であり、DNAで複製できないと結論付けています。 しかし、ジャーナルに発表された新しい研究 通信物理学 これらの状態は頻繁で安定している可能性があり、量子プロセスがそれらの形成を促進する可能性があることを発見しました。

研究者らは、混沌とした細胞環境を表す、春のような振動粒子の無限の海におけるG:C塩基対の水素結合間のプロトン移動をモデル化しました。 彼らの計算によると、量子トンネリングを介したプロトン移動は、DNAらせんの中心にあるG:C接続で非常に迅速に発生する可能性があります(数百フェムト秒、つまり0.000000000000001秒以内)。 そのような速度は、私たちの生物学的タイムスケールよりもはるかに速いです。

この切り替えは非常に速く、頻繁に行われるため、私たちのDNAには、陽子の一部が常に隣人を訪れているように「見え」ます。これは、画面上の画像が非常に速く点滅して、私たちの目には静止しているように見えるのと同じです。 ブリッジの一方の側からもう一方の側へのプロトンのこの超高速スイッチングは、塩基対が元の形状とわずかに異なる形状の間で絶えず変化していることを意味します。 これらの中間形態は、鎖が開かれ、読み取られ、コピーされるときに、DNA複製中にミスマッチを引き起こす可能性があります。

陽子がトンネリングするのを防ぐ代わりに、私たちの生物学的暖かさは熱活性化の源として機能し、陽子に反対側に飛び出すのに十分なエネルギーを与えるかもしれません。 確かに、量子トンネリングを介した陽子移動は、古典物理学によって予測されるよりも4倍可能性が高いです。 これらの発生は一般的であるだけでなく、長続きします。 以前の計算研究に基づいて、研究者は、これらの分子変化が複製されるのに十分長く安定しているはずであると予測します—突然変異を引き起こします。

作業には2つの主な制限があります。 まず、研究者はA:T塩基対を調査しませんでした。これらの結合の場合、中間状態は非常に不安定であり、DNA変異に関与する可能性は低いことに注意してください。 第二に、この理論的研究は、結果を検証または挑戦するための実験的テストから利益を得るでしょう。

慰めの量子?

チームの計算に基づくと、点突然変異は、それらよりもはるかに頻繁にDNAに現れるはずです。 研究者たちは、この違いを、損傷を見つけて元に戻す「非常に効率的なDNA修復メカニズム」に起因すると考えています。 たとえば、私たちのDNA複製機構には、タイプミスのように間違いを検出して修正する「校正」機能が含まれています。 生物学的コピー編集者に感謝します。

プロトントンネリングの容易さとこれらの中間状態の寿命は、生命の起源に関する研究にも関連している可能性がある、と研究者らは書いている。なぜなら、初期の進化の速度は一本鎖RNAの突然変異率に関連しているからだ。 したがって、量子世界は奇妙で遠くに見えるかもしれませんが、それは私たちに生命を与え、またそれを奪う役割を果たした可能性があります。

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