量子生物學(xué)解釋了DNA突變
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量子生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)氫鍵的質(zhì)子隧穿可能會(huì)導(dǎo)致DNA突變
DNA突變可能會(huì)在世界各地產(chǎn)生嚴(yán)重的健康后果，包括先天缺陷和癌癥，但它們是由復(fù)雜的因素網(wǎng)絡(luò)引起的?，F(xiàn)在，在一項(xiàng)創(chuàng)新的跨學(xué)科研究中，一組量子生物學(xué)家團(tuán)隊(duì)將理論物理建模應(yīng)用于DNA復(fù)制，以揭示原子層面上起作用的一些機(jī)制。
什么是量子生物學(xué)？
量子物理學(xué)是物質(zhì)和能量在原子和亞原子層面的性質(zhì)和行為，通常由量子理論解釋。量子生物學(xué)是一個(gè)新興的多學(xué)科科學(xué)領(lǐng)域，匯集了核物理學(xué)家、生物化學(xué)家和分子生物學(xué)家，探索量子力學(xué)如何在活細(xì)胞中發(fā)揮作用。
薩里郡Leverhulme量子生物學(xué)博士培訓(xùn)中心（LQBDTC）的一個(gè)團(tuán)隊(duì)使用最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬和量子力學(xué)，探索了質(zhì)子隧穿如何與DNA突變聯(lián)系起來(lái)。該研究論文發(fā)表在《物理化學(xué)化學(xué)物理學(xué)》上。
什么是質(zhì)子隧道？
質(zhì)子隧穿是指質(zhì)子從一個(gè)地點(diǎn)瞬間消失，以及同一質(zhì)子在附近地點(diǎn)穿過(guò)屏障的出現(xiàn)。質(zhì)子比電子大2000倍，因此發(fā)生的可能性要低得多，特別是如果勢(shì)壘的寬度減小的話。質(zhì)子隧穿與氫鍵有關(guān)，其中沒(méi)有電子的氫原子被簡(jiǎn)化為質(zhì)子，這賦予它穿越這個(gè)邊界的潛力，又名隧道。
這與DNA有什么關(guān)系？
我們的DNA（脫氧核糖核酸）由兩股互補(bǔ)堿組成，腺嘌呤-胸腺嘧啶（A-T）和鳥(niǎo)嘌呤-胞嘧啶（G-C），它們通過(guò)氫鍵結(jié)合在一起。氫鍵不是化學(xué)鍵，而是很容易破壞的靜電力。在某些情況下，通過(guò)質(zhì)子隧穿，氫原子可以同時(shí)存在于多個(gè)位置，像波一樣擴(kuò)散。這可能導(dǎo)致原子出現(xiàn)在錯(cuò)誤的DNA鏈上，這可能導(dǎo)致互變性體，也就是僅在該鏈上發(fā)生的突變。DNA復(fù)制，每108-1011個(gè)堿基復(fù)制一次，就會(huì)發(fā)生自發(fā)突變。聽(tīng)起來(lái)感覺(jué)發(fā)生突變很少，但每個(gè)人類細(xì)胞中的DNA長(zhǎng)約30億個(gè)核苷酸，每天復(fù)制約2萬(wàn)億次，這意味著它每天大約發(fā)生20次。更好地了解這個(gè)過(guò)程有可能降低突變發(fā)生的可能性，從而減少其嚴(yán)重的健康后果。
薩里大學(xué)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人兼皇家學(xué)會(huì)研究員Marco Sacchi博士表示：“許多人長(zhǎng)期以來(lái)一直懷疑量子世界——奇怪、違反直覺(jué)和美妙——在生活中發(fā)揮著我們所知的作用”?！半m然對(duì)我們?cè)S多人來(lái)說(shuō)，一些東西可以同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方的想法可能是荒謬的，但這在量子世界中一直發(fā)生，他們的研究證實(shí)，量子隧穿也發(fā)生在室溫下的DNA中”。
但這一切意味著什么？
根據(jù)該研究的合著者之一、LQBDTC的博士生Louie Slocombe的說(shuō)法：“要了解生物過(guò)程如何在亞原子層面上發(fā)揮作用，我們還有很長(zhǎng)的路要走，但他們的研究——以及近年來(lái)無(wú)數(shù)其他研究——已經(jīng)證實(shí)了量子力學(xué)正在發(fā)揮作用。將來(lái)，他們希望研究量子隧穿產(chǎn)生的互變異構(gòu)體如何傳播和產(chǎn)生遺傳突變”。
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