一项最新研究表明，统治着微小世界的量子力学可以帮助解释为什么基因突变会在复制DNA时自发地出现在DNA中。
量子力学描述了支配原子及其亚原子成分的奇怪规则。当描述大世界的古典物理学规则崩溃时，量子就开始解释。就DNA而言，经典物理学提供了一种解释，说明为什么在DNA螺旋形阶梯的单个梯级中突然会出现变化，从而导致所谓的点突变。
在1月29日发表在《物理化学化学物理》（Physical Chemistry Chemical Physics）上的一项最新研究中，研究人员探索了另一种解释，表明一种称为质子隧穿的量子现象可以通过允许DNA中带正电荷的质子从一个地方跳到另一个地方而引起点突变。反过来，这可以巧妙地改变结合DNA双螺旋结构两侧的氢桥，这可能会在DNA复制自身的时候导致错误。
研究作者指出，尤其是这种细微的变化可能会导致DNA序列错印，其中错误的“字母”会随着链的复制而配对在一起。这些被称为碱基的字母通常以某种方式配对：A到T以及G到C。但是质子隧穿可能导致某些碱基混合匹配。
曼彻斯特大学（University of Manchester）计算和理论化学教授萨姆·海伊（Sam Hay）说：“已经有很多计算工作在研究DNA碱基对中的氢键和质子转移。” 他在一封电子邮件中告诉Live Science：“本文使用了相当高的计算量来重新检查这种现象。”
但是，由于所使用的计算，作者只能在单个碱基和碱基对的水平上对DNA链的一小部分进行建模。Hay表示，这意味着该模型不包括DNA双螺旋的两侧，也不包括位于链中其他位置的对。他说，这些附近的结构可能会对质子隧穿的展开方式产生“重大影响”，但是对整个DNA链进行建模将需要大量的计算能力。
他说：“在解决这一问题之前，我们可能必须等到计算能力或方法学进一步改善后才能解决。”
古典与量子
现在，古典物理学也提供了质子为何在DNA中跳跃的解释。
DNA碱基对在中间通过氢键连接-氢原子与碱基分子之间的吸引力相对较弱。这些键可以被热破坏，因为随着温度的升高，分子会剧烈振动和摇动，从而使氢原子弹开。
该研究的合著者，英国萨里大学勒沃胡姆量子生物学博士培训中心的博士生Louie Slocombe说：“您可以想到整个环境都在动摇，振动……一切都是动态的和移动的。” 他说，原子在高于绝对零的任何温度下都会摆动，因为热量会驱动其动能或运动。
根据经典的热力学，这种摆动有时会使氢原子跳入DNA中的新位置，从而短暂地形成新的键。但是原子很快就会反弹回到原来的位置。由于DNA碱基的分子结构，氢原子趋于稳定在两对原子之间的某种“稳定”位置，在那里它们花费了大部分时间，并且仅短暂逃逸到不寻常的“不稳定”位置。
氢原子仅包含一个质子，一个带负电的电子而没有中子。在DNA形成过程中，这些原子在形成键时将其电子“失去”到一对中的一个碱基上。因此，实际上，当氢原子从DNA链的一侧跃迁到另一侧时，它们作为单个质子移动，因此，根据2014年《化学研究》杂志上的一份报告，科学家将这种现象称为“质子转移”。。
但是根据这项新研究，经典的质子转移并不能解决质子在DNA中反弹的所有情况。
斯洛科姆说：“从本质上来说，与我们为量子速率计算数字时相比，仅通过经典的热力学发现的[发生]的数量非常低。” 他说，换句话说，质子隧穿可能比单纯的热驱动更多的质子跳跃。
越过障碍
质子隧穿依赖于不确定性的量子原理，不适用于更大的世界。例如，在繁华的世界中，人们既可以确定火车的位置，也可以确定火车的行驶速度，并可以使用该信息来预测该火车何时到达下一个车站。
但是，当涉及到亚原子粒子时，无法同时计算出它们的确切位置和速度。通过计算粒子以特定速率传播可能出现在某个点的概率，科学家们只能捕获粒子所起的作用的模糊图像。在质子隧穿的情况下，科学家可以计算质子处于一个位置或另一个位置的概率，并且从理论上讲，质子实际上位于宇宙中任何位置的概率都为非零。
这就是说，粒子可以穿过它们似乎不应该穿过的障碍，有时甚至可以让它们穿过墙壁，《生命科学》之前曾报道过。
为了预测质子转移在何时何地在DNA中发生，研究小组确定了粒子从其“稳定”位置转变为“不稳定”位置所需的能量。该阈值被称为“能量屏障”，而弹回稳定状态所需的能量为“反向屏障”。
研究小组发现，与质子隧穿相比，由热量驱动的经典质子传递的能垒很高。斯洛科姆说，到目前为止，预测的质子隧穿速率已经超过了经典的转移速率，如果不考虑隧穿，质子跃迁到相反的DNA碱基的可能性将“非常非常接近于零”。
Hay告诉Live Science，“在作者计算的限制范围内，似乎在一对碱基之间的质子转移过程中，隧穿起到了相当大的作用”。
研究小组还发现，在A–T对之间质子隧穿的反向势垒远比在G–C对之间的低得多。这意味着，例如，如果质子从一对的A侧隧穿到T侧，“它会立即回滚，” Slocombe说。反向势垒是如此之低，以至于质子很容易弹回到其稳定状态。
斯洛科姆说：“对于G–C而言，它具有相当大的反向屏障，这意味着该状态在相当长的一段时间内都相当稳定。” 因此，一旦质子跃过了GC对的能垒，它可能会停留在不稳定的位置一段时间。如果这种情况发生在DNA复制开始之前，质子可能会卡在链的“反面”，Slocombe说。
这是因为，要复制自身，DNA首先会解压缩，破坏碱基对之间的键。然后，一种叫做聚合酶的酶突然涌入，开始将新的碱基像拼图碎片一样装配到开放的缝隙中。问题在于，当聚合酶在不稳定位置遇到质子时，最终可能会为连接的碱基选择错误的拼图。例如，质子可能跃升至G，并且当聚合酶通过时，该酶会附着T而不是C并不会捕获错误。
百万美元问题
DNA复制中的这种错误首先由生物学家James Watson和物理学家Francis Crick观察到，他们根据《遗传分析导论》（WH Freeman，2000）进行了一些最早的DNA研究。这项新的研究表明，质子隧穿（而不是热力学）可能是造成这些突变的原因。
斯洛科姆说：“因此，在分裂过程之前，您就有了片刻的脆弱性，这种通常根本没有关系的量子效应现在变得微不足道了。”
这些错误可能导致的点突变可能是无关紧要的，不会改变细胞的功能或构建蛋白质的方式。研究人员说，但是它们也可能是毁灭性的，导致镰状细胞性贫血和某些类型的癌症，例如非小细胞肺癌。在某些情况下，点突变也可能是有益的。
即便如此，科学家仍然不知道质子需要多长时间才能保持其不稳定的位置才能真正发生这种点突变，Hay指出。他又说，这项新研究仅对DNA链的一小部分进行了建模，必须对整个系统进行建模以了解质子隧穿的频率。
Slocombe和他的同事现在正在为围绕碱基对的更大环境建模。通过这种方式，他们可以开始理清量子物理学和经典物理学如何与DNA搏斗，并通过不同的机制推动质子跳跃。该系列研究应有助于揭示什么条件使质子转移更可能发生，以及该现象多久触发一次有害的基因突变。
斯洛科姆说：“这是一百万美元的问题。”
