(Andrew Onufriyenko/Moment/Getty Images) Fehler passieren. Besonders wenn es um die Replikation riesiger DNA-Sequenzen in unseren Zellen geht. Es ist auch eine gute Sache. Ohne die Fehler in unseren Genen, die wir als Mutationen bezeichnen, wäre die natürliche Selektion ein No-Go und das Leben wäre tot im Wasser.
So entscheidend Mutationen für alles sind, von Krankheiten bis hin zur Artenvielfalt, wir wissen erschreckend wenig über die Physik des Prozesses.
Erkenntnisse der University of Surrey im Vereinigten Königreich haben Spekulationen wiederbelebt, dass der Hauptauslöser hinter dem chemischen Taschenspielertrick, der spontan eine codierte Base gegen eine andere austauscht, Quantennatur ist.
Ein wesentlicher Teil des Mutationsprozesses ist insbesondere die Verdrängung eines einzelnen Wasserstoffs, der die genetischen Basen zusammenklebt und so die „Sprossen“ der verdrehten Leiterstruktur der DNA bildet. Dies geschieht durch den Prozess des Tunnelns, bei dem Bindungen zwischen den genetischen Basen von Guanin und Cytosin über einen Zeitraum hinweg aufgebrochen werden, der dauerhafte Veränderungen ermöglicht.
Quantentunneln ist eine natürliche Folge der Unsicherheit der Eigenschaften eines Teilchens unter begrenzten Bedingungen.
Wenn Sie ein subatomares Objekt, beispielsweise ein Proton, näher heranzoomen, wird seine Position immer unklarer.
Objekte dieser Größenordnung können theoretisch außerhalb der Grenzen einer begrenzenden Barriere existieren und scheinen ihren Weg durch Wände so leicht zu „tunneln“ wie ein Geist, der sich durch ein Spukhaus bewegt.
Obwohl es sich um ein grundlegendes Merkmal der Realität auf Quantenebene handelt, stellt die Art und Weise, wie sich die Merkmale eines Teilchens mit anderen Teilchen verschränken, die sich in warmen, lauten Umgebungen drängeln, sicher, dass es nicht leicht in das Makrouniversum skaliert.
Zumindest haben wir das schon lange angenommen.
„Biologen gehen normalerweise davon aus, dass der Tunnelbau nur bei niedrigen Temperaturen und in relativ einfachen Systemen eine bedeutende Rolle spielt.“ sagt Chemiker Marco Sacchi.
„Deshalb neigten sie dazu, Quanteneffekte in der DNA außer Acht zu lassen.“ „Wir glauben, mit unserer Studie bewiesen zu haben, dass diese Annahmen nicht zutreffen.“
Die theoretische Modellierung des Teams zur Veränderung der Bindungen zwischen Guanin- und Cytosinbasen stellt mehrere Annahmen über die Chemie hinter dieser häufigen Form der Mutation in Frage.
Seit den Anfängen der Untersuchung der Strukturen und Chemie der DNA gingen Wissenschaftler davon aus, dass eine Hauptursache für Mutationen die Translokation von Wasserstoffatomen ist, die Basen an gegenüberliegenden DNA-Strängen binden.
Diese Bewegung kann die Basis in eine verwandeln Tautomer – ein neues Molekül mit der gleichen Form wie zuvor, aber einer subtilen, anderen Konfiguration der Elemente.
Es wird angenommen, dass die Wasserstoffatome durch einen Prozess namens „doppelter Protonentransfer“ über die Grenze zwischen den Strängen springen, ein Vorgang, der überraschenderweise einem Quantentunnelereignis ähnelt.
Doch abgesehen von der Annahme, dass biologische Systeme einfach zu heiß und beschäftigt sind, als dass ein solches Quantenereignis stattfinden könnte, sollte jeder auf diese Weise stattfindende doppelte Protonentransfer durch die Editierungsenzyme der Zelle ausgeglichen werden.
Bei genauerer Betrachtung der Physik hinter dem Prozess haben die Forscher unter den Temperaturbedingungen einer typischen Zelle gezeigt, dass Quanteneffekte dazu führen sollten, dass die Protonen mit hoher Geschwindigkeit hin und her summen, wodurch die Basen in ihren Tautomeren verschwimmen.
Da die Zeit, die man als Tautomer verbringt, flüchtig ist, wird die Replikationsmaschinerie, die einen DNA-Strang kopiert, seine Anwesenheit kaum erkennen.
Wenn dieser Prozess jedoch zu einer Art Ungleichgewicht zwischen den Basen führt und das Verhältnis einer Base zu ihrem Tautomer auf irgendeine Weise verschiebt, ist es sehr wahrscheinlich, dass die Verschiebung als Mutation festgeschrieben wird.
Darüber hinaus ist das Vorhandensein dieser gespenstischen Tautomerversionen jeder Base mathematisch gesehen so groß, dass diese spezielle Mutationskategorie weitaus häufiger vorkommt, als uns bewusst ist.
Es bedarf künftiger Experimente, um die in der Studie gemachten Vorhersagen zu bestätigen, insbesondere in Bezug auf Dinge wie die Geschwindigkeit des Protonenspringens bei verschiedenen Temperaturen.
Es bleibt auch zu zeigen, ob Quanteneffekte bei anderen Veränderungen von Basenpaaren oder sogar bei anderen Arten von Mutationen eine Rolle spielen.
Biologen erkennen jedoch langsam, welche Rolle die Quantenunsicherheit bei einer Reihe biochemischer Prozesse spielt.
Es wird immer deutlicher, dass die Grenzen des Quantenuniversums nicht so fest sind, wie wir es uns vorstellen könnten.
Diese Forschung wurde veröffentlicht in Naturkommunikation .