Квантовое туннелирование вызвало мутации в ДНК
Междисциплинарная команда из биолога, химика и физика изучила влияние эффектов квантового туннелирования на появление мутаций в паре «Г - Ц» молекулы ДНК. Они усовершенствовали теоретический подход к описанию таутомеризации пары, приняв во внимание квантовый характер не только самой реакции, но и взаимодействия системы с окружением, в частности, диссипации и декогеренции. В результате авторы выяснили, что старые модели на четыре порядка недооценивали вероятность возникновения мутации в ДНК. Исследование опубликовано в Communications Physics.
Двойная спираль ДНК построена таким образом, чтобы случайно заменить один нуклеотид на другой было практически невозможно. Пары «аденин - тимин» («А - Т») и «гуанин - цитозин» («Г - Ц») одинаковы по размеру, и если на одной цепи окажется неподходящее азотистое основание, пара нуклеотидов получится слишком большой или слишком маленькой - и ее быстро заметят и заменят белки системы репарации. Тем не менее, мутации в ДНК регулярно происходят, и механизмы этого процесса до сих пор не вполне понятны.
Один из них предложили еще Уотсон и Крик в своей статье 1953 года - той самой, в которой они впервые описали модель двойной спирали. Они рассуждали так. Две цепи ДНК держатся друг за друга с помощью водородных связей - атомы водорода на одном нуклеотиде с частичным положительным зарядом притягиваются к атомам кислорода или азота на другом нуклеотиде с частичным отрицательным зарядом. И можно себе представить, что атом водорода «перепрыгнет» на другую сторону связи, с одного нуклеотида на другой. Получится необычный нуклеотид с лишним водородом. А если так сделают два водорода сразу, в противоположных направлениях, то получится таутомерный нуклеотид - с тем же набором атомов, что и раньше, но один из водородов окажется не на своем месте.
Дальше, перед делением клетки, фермент ДНК-полимераза копирует ДНК: разделяет цепи и к каждой достраивает пару. И можно себе представить, что к таутомерному нуклеотиду полимераза подберет необычную пару. И вместо «Г - Ц», например, получится «Г* - Т». А в следующем раунде деления полимераза снова будет достраивать пары к нуклеотидам, и напротив Т окажется А. Так, предполагали Уотсон и Крик, могут появляться мутации.
О том, работает ли этот механизм в реальных клетках, биохимики спорят до сих пор. Одни утверждают, что это маловероятное событие, поскольку время жизни таутомерных нуклеотидов меньше, чем цикл работы ДНК-полимеразы. А значит, скорее всего, к тому моменту, когда она будет подбирать пару к конкретному нуклеотиду, его водороды уже успеют вернуться в исходное положение. Другие, наоборот, подсчитывают, что таутомерные формы могут быть очень стабильны. К тому же, некоторые ученые уже заставали ДНК-полимеразу за присоединением А к Ц, причем, судя по форме неканоничной пары, один из ее участников был таутомеризован.
Биолог Луи Слокомб (Louie Slocombe), химик Марко Сакки (Marco Sacchi) и физик Джим Аль-Халили (Jim Al-Khalili) из Университета Суррея объединили свои усилия, чтобы понять, как происходит обмен протонами с точки зрения квантовой физики. В отличие от своих предшественников, они наделили квантовыми свойствами не только сами протоны, но и связь между ними и окружением, применив подход, используемый в физике открытых систем. Ученые показали, что в таком подходе время жизни таутомерных пар вообще не имеет значение, поскольку оно слишком мало, и из-за квантовых процессов двойной перенос протонов происходит постоянно и повсеместно. Их расчеты показали, что вероятность встретить нуклеотидные пары в таутомерном состоянии существенно выше, чем считалось ранее, и этот факт может иметь далеко идущие последствия для понимания механизма генетических мутаций.
Химические реакции обычно сопровождаются перестройкой и перемещением нескольких атомов внутри и между молекулами. Тем не менее этот процесс можно параметризовать всего одной переменной, которую называют координатой реакции. Если построить зависимость потенциальной энергии всей системы от этой координаты, то можно увидеть барьер, разделяющий состояния с исходными веществами и продуктами реакции. В классическом подходе реагенты не могут преодолеть этот барьер без энергии, подводимой извне в виде тепла. Квантовая механика же позволяет частицам туннелировать через такие барьеры. Более того, при этом возможна ситуация, когда система находится в суперпозиции начального и исходного состояний. Важную роль при этом играет взаимодействие с окружением. Оно не только активирует реакцию с помощью передачи молекулам энергии, но и вызывает диссипацию (то есть необратимую потерю энергии) и декогеренцию (то есть разрушение квантовой суперпозиции или случайное изменение ее фазы).
Чтобы аккуратно учесть все эффекты, авторы использовали подход открытых квантовых систем. В частности, они переписали уравнение Калдейры - Лэггетта применительно к функции Вигнера, включив в него помимо обычной шрёдингеровской эволюции члены, ответственные за диссипацию и декогеренцию. При этом ученые представили окружающую среду (резервуар) в виде бесконечного множества квантовых гармонических осцилляторов. Они учли ее степени свободы с помощью адаптированного Фейнманом и Верноном формализма интегралов по траекториям. Исследователям также пришлось применить к выведенному уравнению низкотемпературную модификацию, чтобы избежать ограничений, изначально присутствовавших в теории Калдейры - Лэггетта.
Решая задачу для квантовой системы, погруженной в водную среду при температуре 300 кельвин, авторы выяснили, что скорости прямой и обратной реакции двойного переноса протонов в паре «Г - Ц» равны 7,61x10^5 и 1,69x10^13 обратных секунд, соответственно. Времена жизни реагентов и продуктов реакции составили 9,11x10^-7 и 4,09x10^-14 секунд соответственно, что на пять порядков меньше, чем предсказывают классические модели. Фактически, это говорит о том, что переходы между двумя состояниями происходят очень быстро, а значит к моменту подбора пары ДНК-полимеразой система «Г - Ц» придет в термодинамическое равновесие.
Проинтегрировав предельную функцию Вигнера по соответствующему объему фазового пространства, ученые расчитали, что вероятность встретить пару «Г - Ц» в таутомерном состоянии при температуре 300 кельвин составляет примерно 0,17 процентов, что на четыре порядка больше классического значения. Другими словами, перенос протонов вполне может играть гораздо более важную роль в мутации ДНК, чем предполагалось до сих пор. Такая колоссальная разница заставит биологов по новому взглянуть на роль механизма мутаций, предложенного Уотсоном и Криком.
Физики проверили устойчивость эффекта к различным модификациям условий. Так, оказалось, что туннельная поправка остается существенной, даже если высота реакционного барьера вырастет в полтора раза. Кроме того, температурная зависимость туннельного эффекта оказалась чувствительной к изотопным изменениям, а именно к замене водорода на дейтерий. Это значит, что эффект можно проверить экспериментально, если сравнивать скорости реакций с участием разных изотопов при низких температурах, когда туннелирование остается единственным механизмом их протекания. Отличительным признаком эффекта при этом станет независимость отношения скоростей реакций от температуры.
Источник
Последние аномальные новости

В Млечном Пути есть четыре враждебных цивилизации

Вертолет армии США столкнулся с тремя НЛО

Джек Потрошитель и охота на привидений

Женщина разбогатела благодаря своей 60-кг груди

Загадочное убийство Бенджамина Натана

Загадочные увечья крупного рогатого скота

Инопланетян скоро обнаружат на Марсе

Ментальные недуги и природа человека

Показали настоящую квантовую телепортацию

Правительство США контролирует погоду

Природа в Курумкане обладает сверхъестественной силой

Сибирские мегалиты

Слизняк и закрытая дверь на Марсе

Таинственная связь между совами и феноменом НЛО

Тайны Древнего Египта

Тёмное вещество будет искать российско-итальянский ИИ

Теоретики предсказали самоостановку света

Четыре вида Мультивселенной. В какой из них находимся мы

Что правда, а что - ложь в шоу Битва экстрасенсов

Экзопланеты, экзолуны и экзокометы

Аннунаки посещали Землю для добычи золота

Ануннаки и золотое рубиновое стекло

Большие загадочные кошки сняты на камеру по всей Великобритании

Внеземные цивилизации могут колонизировать галактику без звездолетов

ГМ-продукты появятся на полках супермаркетов

Гномы в Древнем Египте

Жуткий остров призраков Повелья

Загадочные магнитные волны во внешнем ядре Земли

Затонувший город Бога Кришны

ИИ помогает в идентификации астрономических объектов

Использование экстраординарных чисел в физике для объяснения тайн Вселенной

Как мы будем находить экзопланеты с океанами

Колдуны пробрались на кладбище и похитили голову полицейского

Кремль не стал комментировать пророчество Жириновского

Мужчина вернул в библиотеку взятую 40 лет назад книгу

НЛО заметили в кратере на Луне

Обнаружили новый тип массивных черных дыр

Определен вызывающий врожденные аномалии ген

Почему мы не обнаружили коорбитальные экзопланеты

Предсказания Никола Тесла о будущем

Пришельцы на летающих тарелках в преданиях индейцев

Ребенок родился с постоянной улыбкой на лице

Робот-художник Ай-Да создала жуткий портрет Елизаветы II

Сверхмассивные черные дыры обнаружили в умирающих галактиках

Спектрографы телескопа Уэбба будут тренировать на двух экзопланетах

Тайный вход в Сфинксе ведет в камеру древних фараонов

Ужасающий шотландский серый человек

Файлы ФБР. Увечья крупного рогатого скота и животных

Флотилия НЛО замечена над Чикаго

Хроновизор - машина времени Ватикана

Акулы доказывают существование Бермудского треугольника

Безошибочные квантовые вычисления становятся реальностью

Догмена сняла камера наблюдения техасского зоопарка

Долгожители сыграли свадьбу после 60 лет совместной жизни

Женщина более 30 лет притворялась мужчиной

Жители Бурятии рассказали о полтергейсте в супермаркетах

Житель Японии превратился в собаку

Загадочные магнитные волны обнаружили в ядре Земли

ИИ изобретает собственную культуру и передает ее людям

История женщины с лицом свиньи

Мальчик проснулся и увидел грызущего его ногу медведя

Мертвый кот вернулся домой

Миром правят воля и разум человека, а не тайные силы

Непальца признали самым низкорослым подростком

НЛО замечен возле шаттла Эндевор

Парень женился на 77-летней девушке

Поймали гигантского марлина весом 621 кг

Получен первый сертификат для оказания услуг аэротакси

Почему американцы выбрали НЛО в качестве новых врагов

Почему Марс высох

Пришельцы, мертвец и вечный разум творения

Пыльные вихри объясняют постоянную дымку на Марсе

Робот-краб, который меньше блохи

Рыбаки поймали огромного черного панцирника

Странный правительственный эксперимент по управлению разумом

США сняло клеймо маргинальности с темы НЛО

Феномен человека-мотылька и его связь с путешествиями во времени

Черные машины жутких людей в черном

Чтобы погубить бабочку-монарха достаточно смартфона

Энергетическая сущность замечена в Германии

Как быстро выйти из запоя

Белая сфера замечена над Алабамой

Буддийские монахи заживо себя мумифицируют

Бургеры действительно вкуснее с огурцами

Диспетчеры НАСА и астронавты разговаривают об НЛО

Древние пирамиды нашли в Амазонии

Женщина решила причесаться и нашла нож в голове

Затерянный подземный город под Гранд-Каньоном

Звезды тяжелее, чем мы думали

ИИ раскрыл математику, лежащую в основе поиска экзопланет

Каковы шансы, что нас посетили инопланетяне

Курица несет яйца в форме кешью

Мертвый ребенок ожил в могиле

Мужчина нашел возле дома инопланетный предмет

Научно-фантастический фильм 'НЛО Швеции'

Обнародован документ о столкновении авианосца Кирсардж с НЛО

Огненную радугу заметили в небе над Краснодарским краем

Правительство США скрывает существование НЛО

Предсказания русского Нострадамуса сбываются

Представители Министерства обороны США обнародовали кадры НЛО

Приватный браузер DuckDuckGo уличили в сливе данных пользователей

Самопожирание цивилизаций или вариант Циолковского

Солнечный парус может вывести науку на новый уровень

США обвинили Россию в использовании инопланетян

Таинственное крылатое существо, но это не человек-мотылек

Три необъяснимых близких столкновения с инопланетянами

Тяжелобольной ребенок внезапно выздоровел

У правительства США есть обломки с места крушения НЛО

Чупакабра - внеземное существо

Электронный мозг будет на порядки лучше существующих

Я видел больше НЛО, чем могу сосчитать

Ванга предсказала нехватку воды и новые болезни

Героиня шоу Битва экстрасенсов назвала участников артистами

ГМ-помидоры могут стать новым источником витамина D

Девушка вышла замуж за мужчину на 30 лет старше

Дело об НЛО в Розуэлле

Древние экскременты пролили свет на историю строительства Стоунхенджа

Женщина много лет прожила с двумя влагалищами, не зная об этом

Забудьте о Марсе, когда люди полетят на Сатурн

Запретная история ануннаков - 1

Запретная история ануннаков - 2

Когда люди вступят в контакт с самыми могущественными инопланетянами

Компания Lonestar планирует перенести все знания человечества на Луну

Конспирологи связали вакцину AstraZeneca со вспышкой оспы обезьян

ЛСД, секретные агенты, монстры и заговор

Мужчина впервые женился в 95 лет

Мужчина поймал щуку весом в 14 кг

НАСА будет заправлять и ремонтировать спутники на орбите

Огромный астероид пролетит мимо Земли

Пилот Мантелл разбился во время погони за НЛО

Почему галки громко кричат по утрам

Родившийся без челюсти мужчина женился

С нашей Вселенной происходит что-то странное

Свидетели ранней Солнечной системы

Стейк из лаборатории скоро появится на вашей тарелке

Тайна Зоны 51. Русские НЛО пугают американцев

Таинственные города-призраки

Уфолог назвал слушания по НЛО новым этапом в их изучении

Хакасский Стоунхендж

Черный гуманоид из Торонто

Ядерные изомеры и их тайны

Бетон. Самые важные свойства

Новогодние подарки в мягкой игрушке

Близкие экзопланеты найдут с помощью астрометрии

Высокоскоростной НЛО сняли с дрона

Десятилетние споры о химическом составе Солнца

Загадочный червь Лэмбтона

Земля является гибридной планетой

Инопланетный город найден в центре океана

Инопланетяне могут существовать, но только в далекой-далекой галактике

Когда человеческий разум может создавать монстров

Люди в черном и их странная неспособность есть

Моделирование предсказывает загадочные биологические процессы

Мужчины больше верят в заговоры, а женщины - в мистицизм

На Земле существовала давно потерянная материнская цивилизация

НАСА нашло таинственный дверной проем на Марсе

НЛО замечен над Сиэтлом

Скрижаль Шамаша доказательство передовой древней технологии

Существует ли секретная технология антигравитации

США и Япония планируют высадку на Луну

Таинственная планета нарушила орбиты газовых гигантов

Что показал нам Пентагон

Экзопланеты у двойных звезд могут быть обитаемы

База данных военных по НЛО теперь содержит 400 инцидентов

Британцы вступают в сексуальные контакты с инопланетянами

Дверь на Марсе имеет естественное происхождение

Древнейший в мире искусственный глаз

Древняя инопланетная технология обнаружена в Сибири

За пределами нашей реальности существует еще одна реальность

Загадочная Сумка Богов

Загадочные места России. Гора Пидан

Загадочные места России. Остров Ольхон, мыс Кобылья Голова

Загадочные места России. Туимский провал и озеро Шира

Загадочные места России. Чертово городище

Замаскированный НЛО замечен над Каиром

Инопланетяне могут вторгнуться на Землю в ближайшие пять лет

История об инопланетной машине скорой помощи

Как загадать желание под цветущим деревом

Каменный смартфон найден в США

Киборги заменят людей и построят собственную цивилизацию

Китай запустит станцию для добычи грунта с астероида

Конгрессмен заявил, что США нашли обломки НЛО

Кролики-убийцы наводили ужас в средневековье

Мегаплатанос. Греческий Розуэлл

На брифинге Конгресса США по НЛО не хватает откровенности

Неразгаданная тайна НЛО в Новой Зеландии

Подписка на новости
Наверх