近日，科學(xué)家表示量子力學(xué)可以解釋基因突變的原因，并首次通過計(jì)算機(jī)建模，探究出量子力學(xué)如何導(dǎo)致基因突變。

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脫氧核糖核酸(DNA)攜帶有合成核糖核酸(RNA)和蛋白質(zhì)所必需的遺傳信息，是生物體發(fā)育和正常運(yùn)作必要的生物大分子。DNA能夠以極高精度進(jìn)行大量復(fù)制，但這一過程也可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，并導(dǎo)致基因突變。這一突變?cè)诮o人類帶來多種疾病的同時(shí)，也促進(jìn)了豐富的生物世界。

19世紀(jì)50年代，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，開啟了分子生物學(xué)時(shí)代，將遺傳研究深入到分子層次，“生命之謎”隨之被解開，人們開始清楚了解遺傳信息的構(gòu)成與傳遞途徑。

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)由兩條鏈組成，這兩條鏈按反向平行方式盤旋成雙螺旋結(jié)構(gòu)，如同螺旋式上升的樓梯，而這些樓梯的“臺(tái)階”正是氫鍵。DNA分子的兩條鏈之間通過氫鍵結(jié)合，即通過一種稱為質(zhì)子（氫原子的原子核）的亞原子粒子所提供的粘合劑，將被稱為堿基的分子連接在一起，以保持雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)與形成該結(jié)構(gòu)的4種堿基

形成穩(wěn)定螺旋結(jié)構(gòu)的堿基對(duì)中有4種不同堿基，分別為：腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)。雙螺旋模型不僅表明了DNA分子結(jié)構(gòu)，還提示了DNA復(fù)制的機(jī)制：由于腺嘌呤(A)總是與胸腺嘧啶(T)配對(duì)、鳥嘌呤(G)總是與胞嘧啶(C)配對(duì)，這說明兩條鏈的堿基順序是彼此互補(bǔ)的，只需確定其中一條鏈的堿基順序，就可確定另一條鏈的堿基順序。

通常情況下，堿基遵循著嚴(yán)格的配對(duì)規(guī)則（A與T、C與G配對(duì)），但如果氫鍵的性質(zhì)略有變化，就可能導(dǎo)致前述配對(duì)規(guī)則被打破。如果該過程發(fā)生在雙鏈斷開前，就會(huì)導(dǎo)致堿基配對(duì)錯(cuò)誤，引發(fā)基因突變。雖然克里克和沃森此前做出過預(yù)測(cè)，但直到今天，通過復(fù)雜的計(jì)算建模，科學(xué)家才得以準(zhǔn)確地量化這一過程。

此次，來自英國(guó)薩里大學(xué)勒沃休姆量子生物學(xué)博士培訓(xùn)中心(QB-DTC)的物理學(xué)家與化學(xué)家借助復(fù)雜的計(jì)算建模，表明前述基因突變（即DNA復(fù)制錯(cuò)誤）可能是由于量子力學(xué)導(dǎo)致的。團(tuán)隊(duì)使用了一種開放量子系統(tǒng)（open quantum systems）方法，來確定可能導(dǎo)致質(zhì)子在DNA雙鏈之間跳躍的物理機(jī)制：基于量子物理學(xué)中的隧穿效應(yīng)，質(zhì)子才得以跳躍。相關(guān)成果發(fā)表在《自然》旗下期刊《通訊-物理》(Communications Physics)。

圖片來自《通訊-物理》(Communications Physics)

據(jù)了解，量子隧穿效應(yīng)是指在某些特定條件下，微觀粒子“穿越”原本無(wú)法逾越的勢(shì)壘阻礙的現(xiàn)象。要理解隧穿，可以把勢(shì)壘想象成一座山。一個(gè)自身能量小于山峰勢(shì)能的微觀粒子位于山的左側(cè)，按照經(jīng)典世界的常規(guī)經(jīng)驗(yàn)，這個(gè)粒子絕對(duì)爬不到山的右側(cè)。但過段時(shí)間再去觀察粒子，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)它“穿山而過”抵達(dá)了右側(cè)，這種現(xiàn)象就是量子隧穿效應(yīng)。隧穿效應(yīng)也是現(xiàn)代電子學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)之一，比如掃描隧道顯微鏡就是根據(jù)隧穿效應(yīng)原理所制成。

薩里研究小組表明，DNA雙鏈之間氫鍵的變化比此前認(rèn)為的要普遍得多，其發(fā)生概率約為萬(wàn)分之1.73。也就是說，質(zhì)子可以相對(duì)輕易地跳躍到到雙鏈的另一側(cè)，即從能量壁壘一側(cè)的位置躍遷到另一側(cè)。如果這恰好發(fā)生在DNA復(fù)制過程的第一步，即兩條鏈被斷開之前，那么錯(cuò)誤就會(huì)通過細(xì)胞內(nèi)的復(fù)制機(jī)制，導(dǎo)致DNA錯(cuò)配，即一條鏈上的堿基與另一條鏈上相應(yīng)的堿基不互補(bǔ)，甚至發(fā)生突變。

互變異構(gòu)體(Tautomeric)發(fā)生概率，圖片來自論文

以往科學(xué)家認(rèn)為，量子隧穿效應(yīng)不太可能發(fā)生在活體生物細(xì)胞內(nèi)溫暖、潮濕和復(fù)雜的環(huán)境中。然而，奧地利物理學(xué)家歐文·薛定諤在1944年的著作《生命是什么?》(What Is Life?)中提到，由于活體生物的表現(xiàn)與無(wú)生命物質(zhì)不一樣，量子力學(xué)可以在生命系統(tǒng)中發(fā)揮作用。這項(xiàng)研究似乎證實(shí)了薛定諤的理論。

前述團(tuán)隊(duì)確定，局部的細(xì)胞環(huán)境導(dǎo)致行為類似于波的質(zhì)子被熱激活，并穿過能量壁壘。他們發(fā)現(xiàn)質(zhì)子是連續(xù)并且非常迅速地在兩條鏈之間隧穿。之后，當(dāng)DNA分裂成單獨(dú)的鏈時(shí)，一些質(zhì)子被捕獲在錯(cuò)誤的一側(cè)。

鳥嘌呤-胞嘧啶堿基對(duì)之間質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)示意圖，圖片來自論文

“DNA中的質(zhì)子可以沿著DNA中的氫鍵隧穿，并修改編碼遺傳信息的堿基。這些修改過的堿基被稱為‘互變異構(gòu)體’，可以在DNA裂解和復(fù)制過程中存活，導(dǎo)致‘轉(zhuǎn)錄錯(cuò)誤’或突變。”英國(guó)薩里大學(xué)Louie Slocombe在博士學(xué)位期間進(jìn)行了前述計(jì)算，并由薩里大學(xué)物理系教授Jim Al-Khalili和化學(xué)系博士Marco Sacchi指導(dǎo)。

Al-Khalil對(duì)此評(píng)價(jià)：“沃森和克里克在50多年前就推測(cè)了DNA中量子力學(xué)效應(yīng)的存在以及重要性，然而這種量子力學(xué)效應(yīng)在很大程度上被忽視了。”

“生物學(xué)家通常認(rèn)為，只有在低溫和相對(duì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)中，隧穿效應(yīng)才能發(fā)揮重要作用。因此，他們傾向于低估DNA中的量子效應(yīng)。通過我們的研究，我們相信已經(jīng)證明了這些假設(shè)并不成立。”Sacchi博士說道。

前述研究成果表明了量子隧穿在基因突變中的重要性，以及質(zhì)子的轉(zhuǎn)移在DNA突變中具有更加重要的作用，未來可能對(duì)目前的基因突變模型產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。