近期， 一项研究表明， 支配微小世界的量子力学可能有助于解释为什么基因突变会在DNA自我复制的过程中自发出现 。
DNA“点突变”
量子力学用于描述支配原子及其亚原子成分的奇怪规则， 当描述宏观世界的经典物理规则失效时， 量子就会介入进行解释， 在DNA的例子中， 经典物理学提供一种解释， 分析了为什么DNA螺旋阶梯的某一阶突然发生变化， 会导致所谓的“点突变” 。 据悉， DNA由脱氧核苷酸组成， 而脱氧核苷酸是由碱基、脱氧核糖和磷酸构成， 其中碱基有4种：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C） 。 DNA携带着合成RNA和蛋白质所必须的遗传信息， 是生物发育和正常运作必不可少的生物大分子 。
在1月29日发表在《物理化学杂志》上的一项最新研究中， 研究人员探索了另一种解释， 表明一种被称为质子隧穿的量子现象可以通过允许DNA中带正电荷的质子从一个位置跳跃至另一个位置， 产生点突变， 反之， 这将微妙地改变连接DNA双螺旋结构两侧的氢桥键， 当DNA进行自我复制的时候， 氢桥键会出现错误 。
研究人员指出， 这种微妙变化尤其可能导致DNA序列出现“错版”， 当DNA链复制时， 错误的DNA“字母”将配对在一起， 这些字母也被称为碱基， 通常以某种方式配对：A至G， G至C， 但是质子隧穿会导致一些碱基混合和匹配 。
英国曼彻斯特大学计算和理论化学教授萨姆·海伊说：“关于DNA碱基对中氢键和质子转移， 科学家已进行了大量计算工作， 这项最新研究使用了非常精湛的计算方式来重新检验该现象 。 ”
然而， 由于使用特定的计算方法， 研究人员仅能在单碱基和碱基对的水平上模拟少部分DNA链， 这意味着该模型不包括DNA双螺旋的两侧， 也不包括位于DNA链上其他位置的碱基对， 这些位置的结构可能对研究质子隧穿现象具有重大影响， 但要模拟整个DNA链将需要巨大的计算能力， 可能要等到计算能力或者方法进一步改进后才能解决该问题 。
经典物理学与量子力学
目前， 经典物理学也能提供为什么质子在DNA链周围跳跃的谜团 。 DNA碱基对由氢键连接在一起， 氢键是一种氢原子和碱基分子之间相对较弱的吸引力， 这些化学键可以通过加热被打破， 因为随着温度的升高， 分子会剧烈振动和抖动， 导致氢原子从原来的位置弹出 。
英国萨里大学勒弗休姆量子生物学博士培训中心博士生路易·斯洛康姆说：“你可以想象整个环境在抖动、振动……一切都处于动态、在移动着 。 ”原子在绝对零度以上的任何温度下都会摆动， 因为热量会增强它们的动能或者运动 。
依据经典热力学， 这种类型的振动有时会使氢原子跳到DNA的新位置， 短暂地形成新键， 但是原子很快就会弹回到原来的位置， 由于DNA碱基的分子结构， 氢原子倾向于在两对碱基之间形成某种“稳定”位置， 它们将在这里保持很长时间， 期间仅会短暂地逃至不寻常的“不稳定”位置 。
氢原子仅有一个质子， 一个负电荷的电子， 没有中子；在其形成DNA的过程中， 这些原子在形成键的时候， 电子会被一对碱基“夺走” 。 因此2014年发表在《化学研究报告》上的一篇研究报告称， 实际上， 当氢原子从DNA链的一端跳至另一端时， 它们会以单个质子的形式进行移动， 因此科学家将该现象称为“质子转移” 。
但是依据最新这项研究， 经典质量转移并不能解释所有质子在DNA中跳跃的现象 。 从本质上讲， 与我们计算量子速率的数字相比， 仅通过经典热力学导致的质子在DNA中跳跃的概率非常低 。 换句话说， 质子隧穿可能比热量自身驱动更多的质子跳跃 。
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