量子生物学解释了DNA突变

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量子生物学家发现氢键的质子隧穿可能会导致DNA突变

抽象过程内部视图-黑色背景上的3D渲染抽象图像，大型强子对撞粒子流，质子束，希格斯玻色子，核研究，超对称理论概念。全息图视图。来源：koto_feja/盖蒂图片社

DNA突变可能会在世界各地产生严重的健康后果，包括先天缺陷和癌症，但它们是由复杂的因素网络引起的。现在，在一项创新的跨学科研究中，一组量子生物学家团队将理论物理建模应用于DNA复制，以揭示原子层面上起作用的一些机制。

什么是量子生物学？

量子物理学是物质和能量在原子和亚原子层面的性质和行为，通常由量子理论解释。量子生物学是一个新兴的多学科科学领域，汇集了核物理学家、生物化学家和分子生物学家，探索量子力学如何在活细胞中发挥作用。

萨里郡Leverhulme量子生物学博士培训中心（LQBDTC）的一个团队使用最先进的计算机模拟和量子力学，探索了质子隧穿如何与DNA突变联系起来。该研究论文发表在《物理化学化学物理学》上。

什么是质子隧道？

质子隧穿是指质子从一个地点瞬间消失，以及同一质子在附近地点穿过屏障的出现。质子比电子大2000倍，因此发生的可能性要低得多，特别是如果势垒的宽度减小的话。质子隧穿与氢键有关，其中没有电子的氢原子被简化为质子，这赋予它穿越这个边界的潜力，又名隧道。

这与DNA有什么关系？

我们的DNA（脱氧核糖核酸）由两股互补碱组成，腺嘌呤-胸腺嘧啶（A-T）和鸟嘌呤-胞嘧啶（G-C），它们通过氢键结合在一起。氢键不是化学键，而是很容易破坏的静电力。在某些情况下，通过质子隧穿，氢原子可以同时存在于多个位置，像波一样扩散。这可能导致原子出现在错误的DNA链上，这可能导致互变性体，也就是仅在该链上发生的突变。DNA复制，每108-1011个碱基复制一次，就会发生自发突变。听起来感觉发生突变很少，但每个人类细胞中的DNA长约30亿个核苷酸，每天复制约2万亿次，这意味着它每天大约发生20次。更好地了解这个过程有可能降低突变发生的可能性，从而减少其严重的健康后果。

萨里大学项目负责人兼皇家学会研究员Marco Sacchi博士表示：“许多人长期以来一直怀疑量子世界——奇怪、违反直觉和美妙——在生活中发挥着我们所知的作用”。“虽然对我们许多人来说，一些东西可以同时出现在两个地方的想法可能是荒谬的，但这在量子世界中一直发生，他们的研究证实，量子隧穿也发生在室温下的DNA中”。

G-C质子在给定电位上隧穿。来源：Slocombe等人2022/物理化学化学物理

但这一切意味着什么？

根据该研究的合著者之一、LQBDTC的博士生Louie Slocombe的说法：“要了解生物过程如何在亚原子层面上发挥作用，我们还有很长的路要走，但他们的研究——以及近年来无数其他研究——已经证实了量子力学正在发挥作用。将来，他们希望研究量子隧穿产生的互变异构体如何传播和产生遗传突变”。

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