科学家首次发现量子力学如何导致基因突变

近日，科学家表示量子力学可以解释基因突变的原因，并首次通过计算机建模，探究出量子力学如何导致基因突变。

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脱氧核糖核酸(DNA)携带有合成核糖核酸(RNA)和蛋白质所必需的遗传信息，是生物体发育和正常运作必要的生物大分子。DNA能够以极高精度进行大量复制，但这一过程也可能出现错误，并导致基因突变。这一突变在给人类带来多种疾病的同时，也促进了丰富的生物世界。

19世纪50年代，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克发现了DNA双螺旋结构，开启了分子生物学时代，将遗传研究深入到分子层次，“生命之谜”随之被解开，人们开始清楚了解遗传信息的构成与传递途径。

DNA双螺旋结构由两条链组成，这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构，如同螺旋式上升的楼梯，而这些楼梯的“台阶”正是氢键。DNA分子的两条链之间通过氢键结合，即通过一种称为质子（氢原子的原子核）的亚原子粒子所提供的粘合剂，将被称为碱基的分子连接在一起，以保持双螺旋结构的稳定。

DNA双螺旋结构与形成该结构的4种碱基

形成稳定螺旋结构的碱基对中有4种不同碱基，分别为：腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)。双螺旋模型不仅表明了DNA分子结构，还提示了DNA复制的机制：由于腺嘌呤(A)总是与胸腺嘧啶(T)配对、鸟嘌呤(G)总是与胞嘧啶(C)配对，这说明两条链的碱基顺序是彼此互补的，只需确定其中一条链的碱基顺序，就可确定另一条链的碱基顺序。

通常情况下，碱基遵循着严格的配对规则（A与T、C与G配对），但如果氢键的性质略有变化，就可能导致前述配对规则被打破。如果该过程发生在双链断开前，就会导致碱基配对错误，引发基因突变。虽然克里克和沃森此前做出过预测，但直到今天，通过复杂的计算建模，科学家才得以准确地量化这一过程。

此次，来自英国萨里大学勒沃休姆量子生物学博士培训中心(QB-DTC)的物理学家与化学家借助复杂的计算建模，表明前述基因突变（即DNA复制错误）可能是由于量子力学导致的。团队使用了一种开放量子系统（open quantum systems）方法，来确定可能导致质子在DNA双链之间跳跃的物理机制：基于量子物理学中的隧穿效应，质子才得以跳跃。相关成果发表在《自然》旗下期刊《通讯-物理》(Communications Physics)。

图片来自《通讯-物理》(Communications Physics)

据了解，量子隧穿效应是指在某些特定条件下，微观粒子“穿越”原本无法逾越的势垒阻碍的现象。要理解隧穿，可以把势垒想象成一座山。一个自身能量小于山峰势能的微观粒子位于山的左侧，按照经典世界的常规经验，这个粒子绝对爬不到山的右侧。但过段时间再去观察粒子，可能会发现它“穿山而过”抵达了右侧，这种现象就是量子隧穿效应。隧穿效应也是现代电子学技术的基础之一，比如扫描隧道显微镜就是根据隧穿效应原理所制成。

萨里研究小组表明，DNA双链之间氢键的变化比此前认为的要普遍得多，其发生概率约为万分之1.73。也就是说，质子可以相对轻易地跳跃到到双链的另一侧，即从能量壁垒一侧的位置跃迁到另一侧。如果这恰好发生在DNA复制过程的第一步，即两条链被断开之前，那么错误就会通过细胞内的复制机制，导致DNA错配，即一条链上的碱基与另一条链上相应的碱基不互补，甚至发生突变。

互变异构体(Tautomeric)发生概率，图片来自论文

以往科学家认为，量子隧穿效应不太可能发生在活体生物细胞内温暖、潮湿和复杂的环境中。然而，奥地利物理学家欧文·薛定谔在1944年的著作《生命是什么?》(What Is Life?)中提到，由于活体生物的表现与无生命物质不一样，量子力学可以在生命系统中发挥作用。这项研究似乎证实了薛定谔的理论。

前述团队确定，局部的细胞环境导致行为类似于波的质子被热激活，并穿过能量壁垒。他们发现质子是连续并且非常迅速地在两条链之间隧穿。之后，当DNA分裂成单独的链时，一些质子被捕获在错误的一侧。

鸟嘌呤-胞嘧啶碱基对之间质子转移反应示意图，图片来自论文

“DNA中的质子可以沿着DNA中的氢键隧穿，并修改编码遗传信息的碱基。这些修改过的碱基被称为‘互变异构体’，可以在DNA裂解和复制过程中存活，导致‘转录错误’或突变。”英国萨里大学Louie Slocombe在博士学位期间进行了前述计算，并由萨里大学物理系教授Jim Al-Khalili和化学系博士Marco Sacchi指导。

Al-Khalil对此评价：“沃森和克里克在50多年前就推测了DNA中量子力学效应的存在以及重要性，然而这种量子力学效应在很大程度上被忽视了。”

“生物学家通常认为，只有在低温和相对简单的系统中，隧穿效应才能发挥重要作用。因此，他们倾向于低估DNA中的量子效应。通过我们的研究，我们相信已经证明了这些假设并不成立。”Sacchi博士说道。

前述研究成果表明了量子隧穿在基因突变中的重要性，以及质子的转移在DNA突变中具有更加重要的作用，未来可能对目前的基因突变模型产生深远影响。