Die Moleküle des Lebens, die DNA, replizieren sich mit erstaunlicher Präzision, doch dieser Vorgang ist nicht fehlerfrei und kann zu Mutationen führen. Ein Team aus Physikern und Chemikern der University of Surrey hat mit ausgeklügelten Computermodellen gezeigt, dass solche Kopierfehler durch die seltsamen Regeln der Quantenwelt entstehen können.
Die beiden Stränge der berühmten DNA-Doppelhelix sind durch subatomare Teilchen, die Protonen genannt werden – die Kerne von Wasserstoffatomen – miteinander verbunden, die den Klebstoff liefern, der Moleküle, die als Basen bezeichnet werden, miteinander verbindet. Diese sogenannten Wasserstoffbrückenbindungen sind wie die Sprossen einer verdrehten Leiter, aus der die Doppelhelixstruktur besteht, die 1952 von James Watson und Francis Crick auf der Grundlage der Arbeit von Rosalind Franklin und Maurice Wilkins entdeckt wurde.
Normalerweise folgen diese DNA-Basen (genannt A, C, T und G) strengen Regeln, wie sie sich verbinden: A bindet immer an T und C immer an G. Diese strenge Paarung wird durch die Form der Moleküle bestimmt, die sie zusammenfügen Teile in einem Puzzle, aber wenn sich die Art der Wasserstoffbrücken leicht ändert, kann dies dazu führen, dass die Paarungsregel zusammenbricht, was dazu führt, dass die falschen Basen verknüpft werden und somit eine Mutation. Obwohl von Crick und Watson vorhergesagt, konnte der Prozess erst jetzt durch ausgefeilte Computermodelle genau quantifiziert werden.
Das Team, das Teil des Forschungsprogramms von Surrey auf dem spannenden neuen Gebiet der Quantenbiologie ist, hat gezeigt, dass diese Modifikation der Bindungen zwischen den DNA-Strängen weitaus häufiger vorkommt, als bisher angenommen wurde. Die Protonen können leicht von ihrem üblichen Ort auf der einen Seite einer Energiebarriere springen, um auf der anderen Seite zu landen. Wenn dies geschieht, kurz bevor die beiden Stränge im ersten Schritt des Kopiervorgangs entpackt werden, kann der Fehler die Replikationsmaschinerie in der Zelle passieren und zu einer sogenannten DNA-Fehlpaarung und möglicherweise zu einer Mutation führen.
In einem Artikel, der diese Woche in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Kommunikationsphysik, verwendete das Surrey-Team im Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Center einen Ansatz namens offene Quantensysteme, um die physikalischen Mechanismen zu bestimmen, die dazu führen könnten, dass die Protonen zwischen den DNA-Strängen hin- und herspringen. Aber am faszinierendsten ist es, dass sie es dank eines bekannten, aber fast magischen Quantenmechanismus namens Tunneln schaffen – ähnlich einem Phantom, das durch eine feste Wand geht –, dass sie es schaffen, hinüberzukommen.
Früher wurde angenommen, dass ein solches Quantenverhalten in der warmen, feuchten und komplexen Umgebung einer lebenden Zelle nicht auftreten kann. Allerdings hatte der österreichische Physiker Erwin Schrödinger in seinem 1944 erschienenen Buch „Was ist Leben?“ dass die Quantenmechanik in lebenden Systemen eine Rolle spielen kann, da sie sich ganz anders verhalten als unbelebte Materie. Diese neueste Arbeit scheint Schrödingers Theorie zu bestätigen.
Die Autoren stellen in ihrer Studie fest, dass die lokale zelluläre Umgebung dazu führt, dass die Protonen, die sich wie ausgebreitete Wellen verhalten, thermisch aktiviert und durch die Energiebarriere befördert werden. Tatsächlich wird festgestellt, dass die Protonen kontinuierlich und sehr schnell zwischen den beiden Strängen hin und her tunneln. Wenn die DNA dann in ihre einzelnen Stränge gespalten wird, werden einige der Protonen auf der falschen Seite eingefangen, was zu einem Fehler führt.
Dr. Louie Slocombe, der diese Berechnungen während seiner Promotion durchführte, erklärt: „Die Protonen in der DNA können entlang der Wasserstoffbrückenbindungen in der DNA tunneln und die Basen modifizieren, die die genetische Information kodieren. Die modifizierten Basen werden „Tautomere“ genannt “ und kann die DNA-Spaltung und -Replikationsprozesse überleben, was zu „Transkriptionsfehlern“ oder Mutationen führt.“
Dr. Slocombes Arbeit am Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Center in Surrey wurde von Prof. Jim Al-Khalili (Physik, Surrey) und Dr. Marco Sacchi (Chemie, Surrey) betreut.
Prof. Al-Khalili kommentiert: „Watson und Crick haben vor weit über 50 Jahren über die Existenz und Bedeutung quantenmechanischer Effekte in der DNA spekuliert, der Mechanismus wurde jedoch weitgehend übersehen.“
Dr. Sacchi fährt fort: „Biologen würden normalerweise erwarten, dass das Tunneln nur bei niedrigen Temperaturen und in relativ einfachen Systemen eine signifikante Rolle spielt. Daher neigten sie dazu, Quanteneffekte in der DNA außer Acht zu lassen. Mit unserer Studie glauben wir, dass wir bewiesen haben, dass diese Annahmen zutreffen nicht halten.“
Ein offener Quantensystemansatz zum Protonentunneln in DNA, Kommunikationsphysik (2022). DOI: 10.1038/s42005-022-00881-8 , www.nature.com/articles/s42005-022-00881-8