量子生物学家发现，酶可能是理解DNA突变的关键

摘要：根据一项新的研究，对控制人体细胞复制方式至关重要的酶，可能正是鼓励DNA自发突变的成分，从而导致潜在的永久性遗传错误。

根据萨里大学的一项新研究，对控制人体细胞复制方式至关重要的酶，可能正是鼓励DNA自发突变的成分，从而导致潜在的永久性遗传错误。

利用最先进的量子化学计算，来自萨里大学量子生物学博士培训中心的研究人员发现，DNA自我复制过程的部分速度比之前预测的要快100倍。这一发现为假设的理论提供了新的解释，该理论认为量子效应不会持续足够长的时间来受到复制过程的影响。

图1 酶可能是鼓励DNA自发突变的成分从而导致潜在的永久性遗传错误（图源：[1]）

来自萨里大学的这项研究的合著者马克斯·维诺肯说:

“我们一直认为量子力学在生物环境中会受到影响。然而，令人着迷的是，由于解旋酶的作用，量子隧道引起的突变更加稳定。

“虽然其他人把解旋酶描绘成量子突变的守门人，但我们的研究表明，这种酶与这些突变的形成有着深刻的联系。”

这一著名的双螺旋结构赋予了DNA非凡的稳定性，以及它在相反链上的基因字母之间的配对规则。正常情况下，A总是和T结合，G总是和C结合这是由于这些生物分子的不同结构以及碱基对之间形成的氢键数量的不同。形成这种化学键的质子(氢原子的原子核)偶尔会在它们之间转移，形成罕见的称为互变异构体的状态。

当一个细胞开始自我复制时，它必须进行DNA复制。在复制过程中，第一步是分离两条DNA链，使每一条DNA链都可以用作新DNA的模板。这种DNA链的分离是由一种叫做“解旋酶”的酶实现的，它会与DNA链中的一条结合，并将其穿过自身，从而迫使DNA分离。潜在的突变DNA碱基必须在这一过程中存活下来，才有可能造成永久性的遗传错误。

然而，以前认为解旋酶的作用太慢了。因此，当链被分离时，任何自发的点突变都能找到回到其自然和更稳定的位置的方法。这项新研究开始解释量子力学效应可能是解开基因突变秘密的关键，以及它们对地球上生命的许多影响。此外，这份新报告发现，这种机械分离实际上稳定了DNA的突变形式。

图2 用于研究鸟嘌呤-胞嘧啶正则和互变异构碱基对是如何分开的分离方案（图源：[1]）

萨里大学的马尔科·萨基博士领导了这项研究的计算工作，他说:

“人们对量子效应在DNA损伤和基因突变中的作用知之甚少。我们相信，只有把量子物理学和计算化学结合起来，我们才能阐明DNA错误起源的难以捉摸的机制。”

萨里大学量子生物学博士培训中心的联合主任Jim Al-Khalili教授说:

发现最令人兴奋的是，这项工作汇集了物理学、化学和生物学等学科的前沿研究，来回答当今科学中最有趣的问题之一。萨里大学正在迅速成为这一领域的世界领导者，令人兴奋的结果正在出现。”

[1] Louie Slocombe, Max Winokan, Jim Al-Khalili, Marco Sacchi. Proton transfer during DNA strand separation as a source of mutagenic guanine-cytosine tautomers. Communications Chemistry, 2022; 5 (1) DOI: 10.1038/s42004-022-00760-x