1953 年，美国生物学家詹姆斯沃森（James Watson）和英国生物学家弗朗西斯克里克（Francis Crick）首次提出了携带有合成核糖核酸（RNA）和蛋白质所必需遗传信息的脱氧核糖核酸（DNA）双螺旋结构，不仅揭开了人类基因遗传的物质基础，还使得遗传研究迈进分子生物学的阶段。
作为维持生物体正常活动的重要大分子，DNA 在不断进行高精度的复制，然而该过程有时会出错而产生基因突变，在促进生物世界多样性的同时，还会带来多种疑难疾病等危害，也影响到 DNA 的遗传稳定性。
近日，来自英国萨里大学勒沃霍尔姆量子生物学博士培训中心（Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Centre）的科学家首次经过计算建模得出，基因突变可能受量子力学影响。研究中，萨里大学博士路易斯洛克姆（Louie Slocombe）在该校物理系教授吉姆阿尔哈利利（Jim Al-Khalili）和化学系博士马可萨基士（Marco Sacchi）的指导下完成了数据的具体量化。
相关论文以《DNA 中质子隧穿的开放量子系统方法》（An open quantum systems approach to proton tunnelling in DNA）为题发表在Nature旗下的Communications Physics上 [1]。
图 | 相关论文（来源：Communications Physics）
据了解，DNA 双螺旋结构是两条反向平行的链，这两条链以氢键将 4 种被称为碱基的分子进行连接。一般情况下，DNA 的碱基腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C） 之间有固定的配对规则，如 A 总是与 T 配对；C 总是与 G 配对。但当氢键的性质出现一些变化时，上述的碱基配对规则有可能被破坏，从而发生基因突变的情况。
之前，克里克和沃森曾提出预测，DNA 突变或与量子力学的某种现象相关。而此次研究中，萨里大学团队通过计算建模具体量化了该过程。
据悉，该团队对鸟嘌呤-胞嘧啶（GC）核苷酸对之间的氢键展开了详细分析，其中包括碱基对结构的准确模型、氢键质子的量子动力学以及去相干和耗散细胞的影响。
结果发现，DNA 双链的氢键有万分之 1.73 的可能性会发生改变。DNA 复制过程中，质子可能从双链的一侧跳跃到另一侧，若质子是在双链被断开之前进行了这一动作，则这些质子可能会隧穿氢键并改掉 DNA 上的碱基，使得其双链上的碱基不相配，从而造成基因突变。
研究人员表示，万分之 1.73 的概率体现出，质子转移对 DNA 突变造成的影响比科学家想象中的要大得多。对此，阿尔哈利利评价道，“沃森和克里克在 50 多年前就提到了 DNA 中量子力学效应的存在以及重要性，然而这种量子力学效应在很大程度上被忽视了。”
图 | 鸟嘌呤-胞嘧啶质子转移反应示意图（来源：Communications Physics）
值得一提的是，该团队在研究中运用了名为“开放量子系统”（open quantum systems）的方法，得出质子在 DNA 双链之间的活动机理，即“氢键质子是基于量子物理学中的隧穿效应才得以跳跃，这些质子可能总是以量子隧穿的方式不断地在 DNA 的双链之间来回穿梭”。
量子隧穿效应（Quantum tunneling effect）是现代电子学技术的基础之一，被用于扫描隧道显微镜的制备等。具体来说，该效应指在特定条件下，某微观粒子“跳跃”原本没有能力越过的势垒阻碍，就好比一个位于山峰左侧的粒子，常规来说其到不了山的右侧，但却突然抵达了山的右侧。
有趣的是，最初科学家表示，由于活体生物细胞内的一些环境特性，量子隧穿效应发生在其中的可能性很校1944 年，奥地利物理学家欧文薛定谔（Erwin Schrdinger）提出，量子隧穿效应是有可能在其中起到一定作用的。而本次研究团队得出的结果与薛定谔的理论是一致的。
对此，萨基士表示，“正是因为以往生物学家认为，只有在低温和相对简单的系统中，隧穿效应才能发挥重要作用，所以他们倾向于低估 DNA 中的量子效应。通过本次的研究，我们相信已经证明了这些假设并不成立。”
图 | 互变异构占据的概率（来源：Communications Physics）
研究人员将质子被修改过的碱基叫作“互变异构体”，其可以导致 DNA 发生转录错误及基因突变的情况。该团队称，“量子隧穿对质子传输速率的贡献比经典的越障跳跃大几个数量级，且 GC 的规范和互变异构体在时间尺度上比生物形式更短，能够迅速达到热平衡。”
总的来说，这项研究进一步说明了量子隧穿效应和氢键质子转移，对基因突变的形成起到了关键作用。未来，该研究或推动基因突变模型的发展并在其中扮演重要角色。
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专业支持：秦九方
参考：
1.Slocombe, L., Sacchi, M. & Al-Khalili, J. An open quantum systems approach to proton tunnelling in DNA.Commun Phys5, 109（2022）. https://doi.org/10.1038/s42005-022-00881-8
