Les molécules de la vie, l’ADN, se répliquent avec une précision étonnante, mais ce processus n’est pas à l’abri d’erreurs et peut conduire à des mutations. En utilisant une modélisation informatique sophistiquée, une équipe de physiciens et de chimistes de l’Université de Surrey a montré que de telles erreurs de copie peuvent survenir en raison des règles étranges du monde quantique.
Les deux brins de la célèbre double hélice d’ADN sont reliés entre eux par des particules subatomiques appelées protons – les noyaux des atomes d’hydrogène – qui fournissent la colle qui lie les molécules appelées bases ensemble. Ces liaisons dites hydrogène sont comme les échelons d’une échelle torsadée qui constitue la structure en double hélice découverte en 1952 par James Watson et Francis Crick à partir des travaux de Rosalind Franklin et Maurice Wilkins.
Normalement, ces bases d’ADN (appelées A, C, T et G) suivent des règles strictes sur la façon dont elles se lient : A se lie toujours à T et C toujours à G. Cet appariement strict est déterminé par la forme des molécules, en les ajustant comme pièces d’un puzzle, mais si la nature des liaisons hydrogène change légèrement, cela peut entraîner la rupture de la règle d’appariement, entraînant la liaison de mauvaises bases et donc une mutation. Bien que prédit par Crick et Watson, ce n’est que maintenant qu’une modélisation informatique sophistiquée a pu quantifier le processus avec précision.
L’équipe, qui fait partie du programme de recherche de Surrey dans le nouveau domaine passionnant de la biologie quantique, a montré que cette modification des liaisons entre les brins d’ADN est beaucoup plus répandue qu’on ne le pensait jusqu’à présent. Les protons peuvent facilement sauter de leur emplacement habituel d’un côté d’une barrière énergétique pour atterrir de l’autre côté. Si cela se produit juste avant que les deux brins ne soient décompressés lors de la première étape du processus de copie, l’erreur peut traverser la machinerie de réplication dans la cellule, entraînant ce qu’on appelle une incompatibilité d’ADN et, potentiellement, une mutation.
Dans un article publié cette semaine dans la revue Physique des communications, l’équipe de Surrey basée au centre de formation doctorale en biologie quantique de Leverhulme a utilisé une approche appelée systèmes quantiques ouverts pour déterminer les mécanismes physiques qui pourraient faire sauter les protons entre les brins d’ADN. Mais, le plus intrigant, c’est grâce à un mécanisme quantique bien connu mais presque magique appelé effet tunnel – semblable à un fantôme traversant un mur solide – qu’ils parviennent à traverser.
On pensait auparavant qu’un tel comportement quantique ne pouvait pas se produire dans l’environnement chaud, humide et complexe d’une cellule vivante. Cependant, le physicien autrichien Erwin Schrödinger avait suggéré dans son livre de 1944 « Qu’est-ce que la vie? » que la mécanique quantique peut jouer un rôle dans les systèmes vivants puisqu’ils se comportent assez différemment de la matière inanimée. Ce dernier travail semble confirmer la théorie de Schrödinger.
Dans leur étude, les auteurs déterminent que l’environnement cellulaire local fait que les protons, qui se comportent comme des ondes étalées, sont thermiquement activés et encouragés à travers la barrière d’énergie. En fait, on constate que les protons effectuent un va-et-vient continu et très rapide entre les deux brins. Ensuite, lorsque l’ADN est clivé en ses brins séparés, certains des protons sont capturés du mauvais côté, ce qui entraîne une erreur.
Le Dr Louie Slocombe, qui a effectué ces calculs pendant son doctorat, explique que : « Les protons de l’ADN peuvent créer un tunnel le long des liaisons hydrogène de l’ADN et modifier les bases qui codent l’information génétique. Les bases modifiées sont appelées « tautomères ». » et peuvent survivre aux processus de clivage et de réplication de l’ADN, provoquant des « erreurs de transcription » ou des mutations. »
Les travaux du Dr Slocombe au Centre de formation doctorale en biologie quantique Leverhulme de Surrey ont été supervisés par le professeur Jim Al-Khalili (physique, Surrey) et le Dr Marco Sacchi (chimie, Surrey).
Le professeur Al-Khalili commente : « Watson et Crick ont spéculé sur l’existence et l’importance des effets mécaniques quantiques dans l’ADN il y a bien plus de 50 ans, cependant, le mécanisme a été largement négligé. »
Le Dr Sacchi poursuit : « Les biologistes s’attendent généralement à ce que l’effet tunnel joue un rôle significatif uniquement à basse température et dans des systèmes relativement simples. Par conséquent, ils ont tendance à ignorer les effets quantiques dans l’ADN. Avec notre étude, nous pensons avoir prouvé que ces hypothèses ne ne tient pas. »
Une approche de systèmes quantiques ouverts pour l’effet tunnel de protons dans l’ADN, Physique des communications (2022). DOI : 10.1038/s42005-022-00881-8 , www.nature.com/articles/s42005-022-00881-8