Kvantová biologie?!

Díl 2. „Vytunelované mutace“

 

Pojem „mutace“ máte nejspíš spojený s rakovinným bujením. Obecně řečeno, jedná se o změny ve struktuře DNA (její nukleotidové sekvenci) vyvolané různým způsobem, např. působením mutagenní chemikálie, chybami v replikaci DNA, fyzikálními podněty jako je UV nebo Röntgenovo záření aj. Existuje mnoho druhů mutací a dle jejich charakteru a místa, kde se nachází, mohou mít různý dopad na buňku, jejíž DNA danou mutaci obsahuje. Někdy je taková změna v „kódu života“ neslučitelná s další existencí organismu, často však nemá žádný patrný vliv, nebo dokonce může buňka z jisté mutace těžit a získat tak evoluční výhodu, kterou předá další generaci. Tohle by bylo téma, kterému by nestačilo věnovat pouhý jeden článek, podívejme se tedy pouze na jeho určitou oblast. S rozvojem kvantové fyziky přišla na svět podivná myšlenka (jak jinak, že?), a to jest, že by taková mutace mohla být způsobena protunelováním protonu z jedné dusíkaté báze vodíkového můstku na bázi protější*. Není to úchvatná představa?

Obrázek 1 Struktura DNA [3]

Ještě si na začátek povězme, co je ono kvantové tunelování. Jedná se o proces, při kterém částice překoná bariéru, přestože sama nedisponuje množstvím energie k tomu potřebné, jak popisuje klasická fyzika. Říkáme tedy, že částice „protuneluje“ potenciálovou bariérou. Nezaujatému pozorovateli připadá, jako by se tunelující částice „teleportovala“ z jednoho místa do místa druhého, a také tomu tak v podstatě je [1]. Představme si, že k takovému jevu dochází i v DNA! Opravdu zde mohou jisté částice tunelovat, jsou to přesně vodíkové kationty (protony) z vodíkového můstku, který drží oba řetězce DNA pohromadě (viz obrázek 1, popisek s označením „Hydrogen bond“). Proton se může „teleportovat“ z jedné dusíkaté báze na tu protější, a tak vyvolat mutaci genetického kódu. Pokud máte zájem a odvahu, vysvětlíme si to dále podrobněji, pokud se spokojíte s tímto jednoduchým konstatováním, tak můžete tento článek opustit.

V případě, že protony protunelují na protější bázi, změní se báze ve své tautomerní formy (budou se lišit pozicí dvojné vazby a vodíku) – tedy proton z vodíku se odloučí tunelováním na protější bázi a jeho elektron se zase podílí na vytvoření nové dvojné vazby v bázi původní. Tento jev ukazuje obrázek 2 (je zde však chyba, kterou jistě odhalíte: tautomer adeninu nemá onu novou dvojnou vazbu, ale lepší obrázek se mi nepodařilo najít; mimochodem zkratka Me značí methylový zbytek a R je cukr-fosfátová kostra) [2].

Obrázek 2 Tautomerní formy páru bází adenin–thymin [2]

Takto pozměněná báze se už nemusí párovat kanonicky, tzn. podle klasické Watson-Crickovy komplementarity, ale může vytvářet vodíkové můstky i na jinou bázi, než je typické (A se může párovat s C a G zase s T – viz obrázek 3 ukazující nekanonické párování). Takže se mimo jiné ukazuje, že i v tomto případě selhává zjednodušená středoškolská poučka o komplementaritě bází – opět tomu může být jinak, než nás učí.

Když v DNA nastane tento proces a klasická báze se změní na svou tautomerní formu, může vytvořit o jeden vodíkový můstek více nebo méně, než je pro ni typické, a tak se k ní může během replikace DNA přiřadit jiný nukleotid, než by správně měl, čímž vzniknou jednobodové mutace (též nazývané jednonukleotidové polymorfismy).

Obrázek 3 Ukázka netypického párování mezi tautomerní formou jedné báze a přirozenou formou jiné báze [4]
Obrázek 3
Ukázka netypického párování mezi tautomerní formou jedné báze a přirozenou formou jiné báze [4]

Jen pro pořádek, protony nemusí nutně tunelovat, ale mohou přejít na protější bázi také klasickou cestou. Ale to, že mohou zvolit i kvantový proces, znamená důležitý fakt: DNA může existovat v superpozici těchto stavů – tedy může existovat klasický pár zároveň s jeho tautomerní formou a to v jednu chvíli! Na základě těchto poznatků vznikla celá nová a možná i kontroverzní teorie kvantové evoluce, která mutace nepopisuje jako náhodné jevy, nýbrž jako „inteligentní proces“ zdokonalování vlastní genetické výbavy v reakci na vnější prostředí. Tento koncept je schopný odstranit problém s nedostatkem času pro vznik života prostřednictvím čistě náhodných procesů během vývoje Země. Že by kvantová fyzika měla co říct ke vzniku života a jeho evoluci? Doporučuji vyhledat si o tom na internetu více.

Děkuji Vám za Vaši trpělivost a odvahu podívat se hlouběji do tajů „molekuly života“, která nás stále nepřestává překvapovat a skýtá ještě mnoho neprobádaného. Byl bych velmi potěšen, kdyby se právě alespoň někteří naši čtenáři vydali na cestu objevování těchto záhad. V příštím díle se můžete těšit na kvantové kompasy, které ptáci využívají jako navigaci během migrace.

Poznámky:

* Dusíkatá báze je, jen pro vysvětlení, ono písmenko z genetické abecedy (viz obrázky): v DNA je to A – adenin, T – thymin, G – guanin nebo C – cytosin; v RNA se potom místo T nachází U – uracil. Vodíkové můstky (nebo také vodíková vazba) jsou slabou vazebnou interakcí držící oba řetězce DNA pohromadě, díky ní se může genetická informace dál přenášet. Vodíkové můstky jsou patrné na obrázcích: mezi dusíky a/nebo kyslíky z protějších bází se utvoří „můstek“ z vodíku, schematicky: N–H–N, N–H–O, O–H–O.

Tomáš Heger, 4. B

Reference:

[1] Tunelový jev. REICHL, Jaroslav a Martin VŠETIČKA. Encyklopedie fyziky [online]. 2006–2015 [cit. 2015-09-21]. Dostupné z: http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/738-tunelovy-jev

[2] Proton Tunnelling In DNA Mutation. Johnjoe McFadden: Biologist & Writer [online]. 2015 [cit. 2015-09-21]. Dostupné z: http://www.johnjoemcfadden.com/popular-science/quantum-biology/mutation/

[3] BARLEY, Erin a FITZPATRICK. The Molecular Basis of Inheritance. In: REECE, Jane B., Lisa A. URRY, Michael L. CAIN, Steven A. WASSERMAN, Peter V. MINORSKY a Robert B. JACKSON. Lecture Presentations for Campbell Biology, ninth edition [online]. 2011 [cit. 2015-09-21]. Dostupné z: http://www.slideshare.net/veneethmathew/16-lecture-dna

[4] Mutagenesis: Spontaneous [online]. [cit. 2015-09-21]. Dostupné z: http://utminers.utep.edu/rwebb/html/mutagenesis__spontaneous.html

Napsat komentář