Um número surpreendente de mutações genéticas ocorre graças a uma peculiaridade da física quântica

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Erros acontecem. Especialmente quando se trata da replicação de vastas sequências de DNA dentro de nossas células. É uma coisa boa também. Se não fossem os erros em nossos genes aos quais nos referimos como mutações, a seleção natural seria impossível e a vida estaria morta na água.

Por mais cruciais que as mutações sejam para tudo, desde doenças à biodiversidade, sabemos muito pouco sobre a física do processo.

Descobertas da Universidade de Surrey, no Reino Unido, reviveram especulações de que um gatilho primário por trás do truque químico que troca espontaneamente uma base codificada por outra é de natureza quântica.

Especificamente, uma parte significativa do processo de mutação é o deslocamento de um único hidrogênio que une as bases genéticas para formar os “degraus” da estrutura em escada torcida do DNA. Isso ocorre através do processo de tunelamento, quebrando as ligações entre as bases genéticas da guanina e da citosina ao longo de escalas de tempo que permitem mudanças permanentes.

Tunelamento quântico é uma consequência natural da incerteza nas características de uma partícula sob condições confinadas.

Dê um zoom em um objeto subatômico, como um próton, e sua posição se torna cada vez mais vaga.

Objetos nessa escala podem teoricamente existir além dos limites de uma barreira de confinamento, parecendo ‘túnel’ seu caminho através das paredes tão facilmente quanto um fantasma se movendo através de uma casa mal-assombrada.

Embora seja uma característica fundamental da realidade em um nível quântico, a forma como as características de uma partícula se entrelaçam com outras partículas que se acotovelam em ambientes quentes e barulhentos garante que ela não seja facilmente dimensionada para o universo macro.

Ou assim temos assumido há muito tempo.

“Os biólogos normalmente esperariam que o tunelamento desempenhasse um papel significativo apenas em baixas temperaturas e em sistemas relativamente simples”, disse. diz químico Marco Sacchi.

“Portanto, eles tendiam a descontar os efeitos quânticos no DNA. Com nosso estudo, acreditamos ter provado que essas suposições não se sustentam.”

A modelagem teórica da equipe da mudança nas ligações entre as bases de guanina e citosina desafia várias suposições em torno da química por trás dessa forma comum de mutação.

Desde os primeiros dias de estudo das estruturas e da química do DNA, os cientistas pensavam que uma causa primária de mutação é a translocação de hidrogênios que ligam bases em fitas de DNA opostas.

Esse movimento pode transformar a base em um tautômero – uma nova molécula com a mesma forma anterior, mas uma configuração sutil e diferente de elementos.

Pensa-se que os hidrogênios saltam através da fronteira entre os filamentos através de um processo chamado de transferência dupla de prótons, uma ação que se parece surpreendentemente com um evento de tunelamento quântico.

No entanto, além da suposição de que os sistemas biológicos são muito quentes e ocupados para que tal evento quântico ocorra, qualquer transferência dupla de prótons que ocorra dessa maneira deve ser resolvida pelas enzimas de edição da célula.

Olhando com mais cuidado para a física por trás do processo, os pesquisadores demonstraram sob as condições de temperatura de uma célula típica que os efeitos quânticos deveriam estar fazendo com que os prótons zumbissem para frente e para trás em alta taxa, fazendo com que as bases se confundissem em seus tautômeros.

Como o tempo gasto como tautômero é passageiro, a maquinaria de replicação que copia uma fita de DNA dificilmente reconhecerá sua presença.

No entanto, se esse processo resultar em algum tipo de desequilíbrio entre as bases, alterando as proporções de uma base e seu tautômero de alguma forma, é altamente possível que a mudança possa ser travada como uma mutação.

Além disso, matematicamente falando, a presença dessas versões fantasmagóricas de tautômeros de cada base é grande o suficiente para que essa categoria específica de mutação seja muito mais comum do que imaginamos.

Serão necessários experimentos futuros para confirmar as previsões feitas no estudo, especialmente em torno de coisas como taxas de salto de prótons em diferentes temperaturas.

Também resta demonstrar se os efeitos quânticos desempenham um papel em outras mudanças de pares de bases ou mesmo em outros tipos de mutação.

Os biólogos estão despertando lentamente para o papel que a incerteza quântica desempenha em uma série de processos bioquímicos.

Está cada vez mais claro que os limites do universo quântico não são tão sólidos quanto poderíamos imaginar.

Esta pesquisa foi publicada em Comunicações da Natureza.



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