Le molecole della vita, il DNA, si replicano con una precisione sbalorditiva, eppure questo processo non è immune da errori e può portare a mutazioni. Utilizzando una sofisticata modellazione al computer, un team di fisici e chimici dell'Università del Surrey ha dimostrato che tali errori di copiatura possono sorgere a causa delle strane regole del mondo quantistico.

I due filamenti della famosa doppia elica del DNA sono collegati tra loro da particelle subatomiche chiamate protoni, i nuclei degli atomi di idrogeno, che forniscono la colla che lega insieme le molecole chiamate basi. Questi cosiddetti legami idrogeno sono come i gradini di una scala contorta che costituisce la struttura a doppia elica scoperta nel 1952 da James Watson e Francis Crick sulla base del lavoro di Rosalind Franklin e Maurice Wilkins.

Normalmente, queste basi del DNA (chiamate A, C, T e G) seguono regole rigorose su come si legano tra loro:A si lega sempre a T e C sempre a G. Questo stretto accoppiamento è determinato dalla forma delle molecole, che le fa combaciare come pezzi di un puzzle, ma se la natura dei legami idrogeno cambia leggermente, ciò può causare la rottura della regola di accoppiamento, portando al collegamento delle basi sbagliate e quindi a una mutazione. Sebbene previsto da Crick e Watson, solo ora una sofisticata modellazione computazionale è stata in grado di quantificare accuratamente il processo.

Il team, parte del programma di ricerca del Surrey nel nuovo entusiasmante campo della biologia quantistica, ha dimostrato che questa modifica nei legami tra i filamenti di DNA è molto più diffusa di quanto si pensasse finora. I protoni possono facilmente saltare dal loro solito sito su un lato di una barriera energetica per atterrare sull'altro lato. Se ciò accade appena prima che i due filamenti vengano decompressi nella prima fase del processo di copia, l'errore può passare attraverso il meccanismo di replicazione nella cellula, portando a quella che viene chiamata una mancata corrispondenza del DNA e, potenzialmente, una mutazione.

In un articolo pubblicato questa settimana sulla rivista Communications Physics , il team del Surrey con sede presso il Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Center ha utilizzato un approccio chiamato sistemi quantistici aperti per determinare i meccanismi fisici che potrebbero causare il passaggio dei protoni tra i filamenti di DNA. Ma, la cosa più intrigante, è grazie a un meccanismo quantistico noto ma quasi magico chiamato tunneling, simile a un fantasma che passa attraverso un solido muro, che riescono ad attraversare.

In precedenza si pensava che un tale comportamento quantistico non potesse verificarsi all'interno dell'ambiente caldo, umido e complesso di una cellula vivente. Tuttavia, il fisico austriaco Erwin Schrödinger aveva suggerito nel suo libro del 1944 "What is Life?" che la meccanica quantistica può svolgere un ruolo nei sistemi viventi poiché si comportano in modo piuttosto diverso dalla materia inanimata. Quest'ultimo lavoro sembra confermare la teoria di Schrödinger.

Nel loro studio, gli autori determinano che l'ambiente cellulare locale fa sì che i protoni, che si comportano come onde sparse, siano attivati ​​termicamente e incoraggiati attraverso la barriera energetica. In effetti, si scopre che i protoni si muovono continuamente e molto rapidamente avanti e indietro tra i due filamenti. Quindi, quando il DNA viene scisso nei suoi filamenti separati, alcuni dei protoni vengono catturati dalla parte sbagliata, causando un errore.

Il dottor Louie Slocombe, che ha eseguito questi calcoli durante il suo dottorato, spiega che:"I protoni nel DNA possono creare tunnel lungo i legami idrogeno nel DNA e modificare le basi che codificano le informazioni genetiche. Le basi modificate sono chiamate "tautomeri " e può sopravvivere ai processi di scissione e replicazione del DNA, causando "errori di trascrizione" o mutazioni".

Il lavoro del Dr. Slocombe presso il Centro di Dottorato in Biologia Quantistica Leverhulme del Surrey è stato supervisionato dal Prof Jim Al-Khalili (Fisica, Surrey) e dal Dr. Marco Sacchi (Chimica, Surrey).

Il professor Al-Khalili commenta:"Watson e Crick hanno ipotizzato l'esistenza e l'importanza degli effetti della meccanica quantistica nel DNA ben oltre 50 anni fa, tuttavia, il meccanismo è stato ampiamente trascurato".

Il Dr. Sacchi continua:"I biologi in genere si aspetterebbero che il tunneling svolga un ruolo significativo solo a basse temperature e in sistemi relativamente semplici. Pertanto, tendevano a scartare gli effetti quantistici nel DNA. Con il nostro studio, crediamo di aver dimostrato che queste ipotesi non non reggere." + Esplora ulteriormente

Un nuovo studio rivela che la fisica quantistica può causare mutazioni nel nostro DNA