变异|DNA 为啥会自发变异？量子物理学或将揭晓谜团
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北京时间 3 月 22 日消息 ， 近期 ， 一项研究表明 ， 支配微小世界的量子力学可能有助于解释为什么基因突变会在 DNA 自我复制的过程中自发出现 。
DNA“点突变”
量子力学用于描述支配原子及其亚原子成分的奇怪规则 ， 当描述宏观世界的经典物理规则失效时 ， 量子就会介入进行解释 ， 在 DNA 的例子中 ， 经典物理学提供一种解释 ， 分析了为什么 DNA 螺旋阶梯的某一阶突然发生变化 ， 会导致所谓的 “点突变” 。
据悉 ， DNA 由脱氧核苷酸组成 ， 而脱氧核苷酸是由碱基、脱氧核糖和磷酸构成 ， 其中碱基有 4 种：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C） 。DNA 携带着合成 RNA 和蛋白质所必须的遗传信息 ， 是生物发育和正常运作必不可少的生物大分子 。
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如图所示 ， 白色的两个质子在核碱鸟嘌呤 (左)和胞嘧啶 (右)之间跳跃 ， 它们在 DNA 链内形成碱基对 。
在 1 月 29 日发表在《物理化学杂志》上的一项最新研究中 ， 研究人员探索了另一种解释 ， 表明一种被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位置跳跃至另一个位置 ， 产生点突变 ， 反之 ， 这将微妙地改变连接 DNA 双螺旋结构两侧的氢桥键 ， 当 DNA 进行自我复制的时候 ， 氢桥键会出现错误 。
研究人员指出 ， 这种微妙变化尤其可能导致 DNA 序列出现 “错版” ， 当 DNA 链复制时 ， 错误的 DNA“字母”将配对在一起 ， 这些字母也被称为碱基 ， 通常以某种方式配对：A 至 G ， G 至 C ， 但是质子隧穿会导致一些碱基混合和匹配 。
英国曼彻斯特大学计算和理论化学教授萨姆 · 海伊说：“关于 DNA 碱基对中氢键和质子转移 ， 科学家已进行了大量计算工作 ， 这项最新研究使用了非常精湛的计算方式来重新检验该现象 。”
然而 ， 由于使用特定的计算方法 ， 研究人员仅能在单碱基和碱基对的水平上模拟少部分 DNA 链 ， 这意味着该模型不包括 DNA 双螺旋的两侧 ， 也不包括位于 DNA 链上其他位置的碱基对 ， 这些位置的结构可能对研究质子隧穿现象具有重大影响 ， 但要模拟整个 DNA 链将需要巨大的计算能力 ， 可能要等到计算能力或者方法进一步改进后才能解决该问题 。
经典物理学与量子力学
目前 ， 经典物理学也能提供为什么质子在 DNA 链周围跳跃的谜团 。DNA 碱基对由氢键连接在一起 ， 氢键是一种氢原子和碱基分子之间相对较弱的吸引力 ， 这些化学键可以通过加热被打破 ， 因为随着温度的升高 ， 分子会剧烈振动和抖动 ， 导致氢原子从原来的位置弹出 。
英国萨里大学勒弗休姆量子生物学博士培训中心博士生路易 · 斯洛康姆说：“你可以想象整个环境在抖动、振动…… 一切都处于动态、在移动着 。”原子在绝对零度以上的任何温度下都会摆动 ， 因为热量会增强它们的动能或者运动 。
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依据经典热力学 ， 这种类型的振动有时会使氢原子跳到 DNA 的新位置 ， 短暂地形成新键 ， 但是原子很快就会弹回到原来的位置 ， 由于 DNA 碱基的分子结构 ， 氢原子倾向于在两对碱基之间形成某种 “稳定”位置 ， 它们将在这里保持很长时间 ， 期间仅会短暂地逃至不寻常的 “不稳定”位置 。
氢原子仅有一个质子 ， 一个负电荷的电子 ， 没有中子；在其形成 DNA 的过程中 ， 这些原子在形成键的时候 ， 电子会被一对碱基 “夺走” 。因此 2014 年发表在《化学研究报告》上的一篇研究报告称 ， 实际上 ， 当氢原子从 DNA 链的一端跳至另一端时 ， 它们会以单个质子的形式进行移动 ， 因此科学家将该现象称为 “质子转移” 。
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