Fisica: la meccanica quantistica spiega perché il DNA muta spontaneamente

Le molecole della vita, il nostro DNA, muta in maniera spontanea e precisa, ma questo processo non è esente da errori e può portare a mutazioni. Utilizzando una modellazione al computer, un team di fisici e chimici hanno suggerito che tali errori possono dipendere da alcune strane regole del mondo quantistico. I due filamenti del DNA sono legati tra loro da particelle subatomiche, denominate protoni, forniscono la colla che tiene insieme le molecole, chiamate basi.

Questi cosiddetti legami idrogeno sono come i gradini di una scala contorta che costituisce la struttura a doppia elica scoperta nel 1952 da James Watson e Francis Crick. Solitamente queste basi seguono regole rigide per quanto riguarda il legarsi tra di loro: A si lega sempre a T e C sempre a G. Questo legame è determinato dalla forma delle molecole, che le fa combaciare perfettamente, ma se i legami d’idrogeno cambiano leggermente possono causare la rottura delle regole dell’accoppiamento e arrivare ad una mutazione.

Fisica, il DNA muta spontaneamente grazie alla meccanica quantistica

Sebbene ciò era già stato previsto, solo ora una  modellazione computazionale è in grado di quantificare l’intero processo. Il team di ricercatori ha suggerito che questa modifica fra i legami dei filamenti del DNA è molto diffusa più di quanto pensassimo. I protoni possono facilmente saltare dal loro solito sito su un lato di una barriera energetica per atterrare sull’altro lato. Se ciò accade prima che i due filamenti vengano decompressi, l’errore può passare attraverso il meccanismo di replicazione nella cellula, portando a quella che viene chiamata una mancata corrispondenza del DNA e, potenzialmente, una mutazione.

Il team ha utilizzato un approccio chiamato, sistemi quantistici aperti, per determinare i meccanismi fisici che potrebbero causare il passaggio dei protoni tra i filamenti di DNA. Tuttavia grazie ad un meccanismo straordinario, chiamato tunneling, che riescono ad attraversare. Prima si pensava che questo comportamento quantistico non fosse possibile in una cellula vivente. Tuttavia, il fisico quantistico Erwin Schrödinger aveva suggerito che la meccanica quantistica può svolgere un ruolo nei sistemi viventi poiché si comportano in modo piuttosto diverso dalla materia inanimata. La nuova teoria sembrerebbe confermare quanto detto sopra.

L’ambiente cellulare locale fa sì che i protoni, che si comportano come onde sparse, vengano attivati ​​termicamente e incoraggiati attraverso la barriera energetica. In effetti i protoni si muovono continuamente e molto rapidamente avanti e indietro tra i due filamenti. Quindi, quando il DNA viene scisso nei suoi filamenti separati, alcuni dei protoni vengono catturati dalla parte sbagliata, causando un errore. I protoni nel DNA possono creare tunnel lungo i legami idrogeno e modificare le basi che codificano le informazioni genetiche. Le basi modificate sono chiamate “tautomeri” e possono sopravvivere ai processi di scissione e replicazione del DNA, causando errori di trascrizione o mutazioni.

I biologi in genere si aspetterebbero che il tunneling svolga un ruolo significativo solo a basse temperature e in sistemi relativamente semplici. Pertanto, tendevano a scartare gli effetti quantistici nel DNA. Con questo studio, si crede di aver dimostrato che questi presupposti lo fanno non reggere.

Foto di Darwin Laganzon da Pixabay