研究首次发现量子力学机制如何导致基因突变

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【大纪元2022年05月10日讯】(大纪元记者李少维编译报导)在分子层面,基因需要准确地复制,这个过程出错就容易产生基因突变。一组科学家利用先进的技术,第一次发现量子力学机制在基因复制过程中所起的作用,如何导致基因突变

科学家发现DNA的两条链状结构通过一些质子(氢原子核)连在一起。这些质子起到胶水的作用,把各种碱基绑定在一起。这种称为氢键的绑定方式,就像梯子中间的横梁一样,把DNA双链联系在一起。

一般情况下,DNA的四个碱基A、C、T和G有固定的绑定组合,比如A总是与T绑定;C总是与G绑定。这是由分子的形状决定的,把它们像拼图一样完美地拼合在一起。但是如果氢键出现一些变化,就会导致配对出错,继而引发基因突变。

早在1952年,发现DNA双链接构的科学家詹姆斯·沃森(James Watson)和弗朗西斯·克里克(Francis Crick)曾预测DNA突变可能与量子力学的某种现象相关,但是直到这份研究,才第一次通过先进的模型准确地量化这个过程,看到了其中的缘由。

这个由英国萨里大学(University of Surrey)引领的研究组,从量子生物学角度看到了其中的联系。量子生物学是一个相对较新的研究领域。

这份研究发现,这些氢键质子可能总是以量子隧穿的方式不断地在DNA的双链之间来回穿梭。量子隧穿是量子世界内粒子会发生的一种穿越现象,犹如粒子凭空穿过一堵墙抵达墙体的另一面。

以前,科学家认为活体生物细胞内的环境温暖、潮湿、太复杂,不会发生量子隧穿现象。1944年,奥地利物理学家欧文·薛定谔(Erwin Schrödinger)提出,活体生物内的机制与无生命物质内的环境不一样,量子隧穿现象也可能在其中扮演一定的角色。这份研究终于证实了这个理论。

这份研究称,细胞的局部环境导致质子被热激活,从而可以穿越能量屏障,也就是会出现量子隧穿现象。更确切地说,研究者发现质子持续地在DNA双链之间来回隧穿。可是,在某个阶段当DNA被切割成独立双链的时候,一些质子被留在了错误的一边,导致出错。

这份研究5月5日发表于《自然》(Nature)旗下的《通讯-物理》(Communications Physics)期刊。◇

责任编辑:叶紫微

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