لماذا يتحول الحمض النووي تلقائيًا؟ قد تفسر فيزياء الكم.

بالعربي/ توصلت دراسة حديثة إلى أن ميكانيكا الكم ، التي تحكم عالم الصغار ، قد تساعد في تفسير سبب ظهور الطفرات الجينية تلقائيًا في الحمض النووي بينما يصنع نسخًا من نفسه.

تصف ميكانيكا الكم القواعد الغريبة التي تحكم الذرات ومكوناتها دون الذرية. عندما تنهار قواعد الفيزياء الكلاسيكية ، التي تصف العالم الكبير ، يأتي الكم للتفسير. في حالة الحمض النووي ، تقدم الفيزياء الكلاسيكية تفسيرًا واحدًا لسبب ظهور التغييرات فجأة في درجة واحدة من السلم المتصاعد للحمض النووي ، مما يؤدي إلى ما يسمى بالطفرة النقطية .

في دراسة حديثة نُشرت في 29 يناير في مجلة الفيزياء الكيميائية الفيزيائية ، اكتشف الباحثون تفسيرًا آخر يوضح أن ظاهرة كمية تسمى نفق البروتون يمكن أن تسبب طفرات نقطية من خلال السماح للبروتونات الموجبة الشحنة في الحمض النووي بالقفز من مكان إلى آخر. هذا ، بدوره ، يمكن أن يغير بمهارة جسور الهيدروجين التي تربط جانبي الحلزون المزدوج للحمض النووي ، مما قد يؤدي إلى أخطاء عندما يحين وقت الحمض النووي لعمل نسخ من نفسه. 

لاحظ مؤلفو الدراسة ، على وجه الخصوص ، أن هذا التغيير الدقيق يمكن أن يتسبب في أخطاء مطبعية في تسلسل الحمض النووي ، حيث يتم إقران “الأحرف” الخاطئة مع بعضها أثناء تكرار الخيط. عادةً ما تتزاوج هذه الأحرف ، المعروفة باسم القواعد ، بطريقة معينة: A إلى T و G إلى C. لكن نفق البروتون قد يتسبب في اختلاط بعض القواعد ومطابقتها. 

قال سام هاي ، أستاذ الكيمياء الحسابية والنظرية في جامعة مانشستر ، والذي لم يشارك في الدراسة: “كان هناك الكثير من العمل الحسابي الذي يبحث في الترابط الهيدروجيني [و] نقل البروتون في أزواج قواعد الحمض النووي”. قال لـ Live Science في رسالة بريد إلكتروني: “تستخدم هذه الورقة حسابات عالية المستوى لإعادة فحص هذه الظاهرة”.

ومع ذلك ، نظرًا للحسابات المستخدمة ، لم يتمكن المؤلفون من نمذجة سوى أجزاء صغيرة من خيط DNA ، على مستوى القواعد الفردية والأزواج القاعدية. وأشار هاي إلى أن هذا يعني أن النموذج لا يتضمن جانبي الحلزون المزدوج للحمض النووي ، ولا الأزواج الموجودة في أي مكان آخر في الشريط. وقال إن هذه الهياكل القريبة قد يكون لها “تأثير كبير” على كيفية تطور نفق البروتون ، ولكن لنمذجة خيط الحمض النووي بالكامل كان يتطلب قدرًا هائلاً من القوة الحسابية. 

وقال: “قد نضطر إلى الانتظار حتى تتحسن قوة الحوسبة أو المنهجية أكثر قبل أن تتم معالجة ذلك”.

الكلاسيكية مقابل الكم 

الآن ، تقدم الفيزياء الكلاسيكية أيضًا تفسيرًا لسبب قفز البروتونات في الحمض النووي. 

ترتبط أزواج قواعد الحمض النووي في الوسط بروابط هيدروجينية – وهي نقطة جذب ضعيفة نسبيًا بين ذرات الهيدروجين والجزيئات في القواعد. يمكن كسر هذه الروابط بالحرارة ، لأنه مع ارتفاع درجة الحرارة ، تهتز الجزيئات بقوة وتهتز ، مما يتسبب في خروج ذرات الهيدروجين من مكانها. 

قال المؤلف المشارك في الدراسة Louie Slocombe ، طالب الدكتوراه في مركز Leverhulme Quantum Biology للتدريب في إنجلترا في جامعة Surrey: “يمكنك التفكير في البيئة بأكملها تهتز وتهتز … كل شيء ديناميكي ومتحرك”. قال إن الذرات تتذبذب عند أي درجة حرارة فوق الصفر المطلق ، لأن الحرارة ترفع طاقتها الحركية ، أو حركتها.

وفقًا للديناميكا الحرارية الكلاسيكية ، فإن هذا الاهتزاز يسمح أحيانًا لذرات الهيدروجين بالقفز إلى مواقع جديدة في الحمض النووي ، وتشكيل روابط جديدة لفترة وجيزة. لكن الذرات سرعان ما ترتد إلى مواقعها الأصلية ؛ بسبب التركيب الجزيئي لقواعد الحمض النووي ، تميل ذرات الهيدروجين إلى الاستقرار في وضع “مستقر” إلى حد ما بين الأزواج ، حيث يقضون معظم وقتهم ، ولا يهربون إلا لفترة وجيزة إلى أوضاع غير عادية “غير مستقرة”.

تحتوي ذرات الهيدروجين على بروتون واحد فقط وإلكترون سالب الشحنة ولا تحتوي على نيوترونات. أثناء تكوين الحمض النووي ، “تفقد” هذه الذرات إلكترونها إلى قاعدة واحدة في الزوج عندما تشكل رابطة. لذلك ، في الواقع ، عندما تقفز ذرات الهيدروجين من جانب واحد من خيط DNA إلى الجانب الآخر ، فإنها تتحرك كبروتون واحد ، ومن ثم يشير العلماء إلى هذه الظاهرة باسم “نقل البروتون” ، وفقًا لتقرير صدر عام 2014 في مجلة Accounts of Chemical Research .

لكن وفقًا للدراسة الجديدة ، فإن النقل الكلاسيكي للبروتون لا يفسر جميع الحالات التي ترتد فيها البروتونات في الحمض النووي.

قال سلوكومب: “بشكل أساسي ، ما وجدناه هو أن مقدار هذا [يحدث] فقط من خلال الديناميكا الحرارية الكلاسيكية منخفض جدًا ، مقارنةً بالوقت الذي ندير فيه الأرقام لمعدلات الكم”. بعبارة أخرى ، من المحتمل أن تؤدي نفق البروتونات إلى مزيد من القفز بالبروتونات مقارنة بالحرارة وحدها.

القفز على الحاجز 

يعتمد حفر نفق البروتون على المبدأ الكمي لعدم اليقين ، والذي لا ينطبق على العالم الأكبر. على سبيل المثال ، في عالم الأشياء الكبيرة ، يمكن للمرء أن يكون متأكدًا من كل من موقع القطار والسرعة التي يسافر بها ، وباستخدام هذه المعلومات ، يمكن للمرء أن يتنبأ بموعد وصول هذا القطار إلى المحطة التالية. 

ومع ذلك ، عندما يتعلق الأمر بالجسيمات دون الذرية ، لا يمكن حساب موقعها وسرعتها بالضبط في نفس الوقت ؛ يمكن للعلماء التقاط صورة ضبابية فقط لما هو عليه الجسيم ، من خلال حساب احتمال ظهوره في مكان معين ، والسفر بمعدل معين. في سياق نفق البروتون ، يمكن للعلماء حساب احتمالية وجود البروتون في موضع أو آخر – ومن الناحية النظرية ، فإن احتمالية وجود البروتون ليس صفريًا في أي مكان في الكون. 

ما يعنيه ذلك هو أن الجسيمات يمكن أن تمر عبر حواجز يبدو أنها لا ينبغي أن تكون قادرة على ذلك ، حتى أنها تسمح لها في بعض الأحيان بالقفز عبر الجدران ، حسبما أفاد موقع Live Science سابقًا .

للتنبؤ بالوقت والمكان الذي يمكن أن يحدث فيه نقل البروتون في الحمض النووي ، حدد الفريق كمية الطاقة اللازمة للجسيمات للانفصال عن مواضعها “المستقرة” إلى مواضعها “غير المستقرة”. تُعرف هذه العتبة باسم “حاجز الطاقة” ، والطاقة اللازمة للارتداد مرة أخرى إلى الحالة المستقرة هي “الحاجز العكسي”. 

وجد الفريق أن حاجز الطاقة لنقل البروتون الكلاسيكي ، مدفوعًا بالحرارة ، مرتفع جدًا مقارنةً بنفق البروتون. قال سلوكومب إن المعدل المتوقع لنفق البروتونات تجاوز حتى الآن معدل النقل الكلاسيكي الذي ، دون أخذ النفق في الاعتبار ، فإن احتمال قفز البروتون إلى قاعدة الحمض النووي المعاكس سيكون “قريبًا جدًا جدًا من الصفر”.

قال هاي لـ Live Science: “ضمن حدود حسابات المؤلفين ، يبدو أن النفق يلعب دورًا متواضعًا [إلى] كبير إلى حد ما أثناء نقل البروتونات” بين القواعد في زوج.

وجد الفريق أيضًا أن الحاجز العكسي لنفق البروتون بين أزواج A-T كان أقل بكثير من أزواج G-C. قال سلوكومب إن هذا يعني أنه في حالة قيام بروتون بنفق نفق من الجانب A إلى الجانب T من الزوج ، على سبيل المثال ، “فإنه سيتراجع على الفور”. يكون الحاجز العكسي منخفضًا جدًا بحيث يعود البروتون بسهولة إلى حالته المستقرة.

قال سلوكومب: “في حين أن G-C لديها هذا الحاجز العكسي الكبير نوعًا ما ، مما يعني أن الحالة مستقرة إلى حد ما لجزء كبير من الوقت”. لذلك بمجرد أن يقفز البروتون حاجز الطاقة الخاص بزوج G-C ، قد يظل في وضعه غير المستقر لبعض الوقت. قال سلوكومب إنه إذا حدث هذا قبل أن يبدأ تكاثر الحمض النووي مباشرة ، فقد يعلق البروتون على “الجانب الخطأ” من الخيط. 

هذا لأنه ، لنسخ نفسه ، يقوم الحمض النووي أولاً بفك ضغطه ، مما يؤدي إلى كسر الروابط بين أزواج القواعد. ثم ينطلق إنزيم يسمى بوليميراز للداخل ويبدأ في تركيب قواعد جديدة في الفتحات المفتوحة ، مثل قطع الألغاز. تكمن المشكلة في أنه عندما يصادف البوليميراز بروتونًا في وضع غير مستقر ، فإنه يمكن أن ينتهي باختيار قطعة اللغز الخطأ للقاعدة المرفقة. على سبيل المثال ، قد يقفز البروتون إلى G ، وعندما يأتي البوليميراز ، يعلق الإنزيم T بدلاً من C ولا يكتشف الخطأ.

سؤال المليون دولار 

لوحظ هذا النوع من الخطأ في تكرار الحمض النووي لأول مرة من قبل عالم الأحياء جيمس واتسون والفيزيائي فرانسيس كريك ، اللذين أجروا بعض الدراسات المبكرة للحمض النووي ، وفقًا للكتاب المدرسي ” مقدمة للتحليل الجيني ” (WH Freeman، 2000). تؤكد الدراسة الجديدة أن نفق البروتون – أكثر من الديناميكا الحرارية – قد يكون مسؤولاً عن هذه الطفرات. 

قال سلوكومب: “قبل عملية الانقسام مباشرة ، لديك لحظة من الضعف ، حيث يكون هذا التأثير الكمي ، الذي لا يهم في العادة على الإطلاق ، الآن غير تافه”. 

قد تكون الطفرات النقطية التي قد تنجم عن هذه الأخطاء غير منطقية ، ولا تسبب أي تغيير في كيفية عمل الخلايا أو بناء البروتينات ؛ لكنهم قد يكونون مدمرين أيضًا ، حيث يساهمون في أمراض مثل فقر الدم المنجلي وأنواع معينة من السرطان ، مثل سرطان الرئة ذو الخلايا غير الصغيرة ، كما قال الباحثون. في بعض السيناريوهات ، يمكن أن تكون الطفرات النقطية مفيدة أيضًا. محتوى ذو صلة

وأشار هاي إلى أن العلماء ما زالوا لا يعرفون إلى متى سيحتاج البروتون للبقاء في وضعه غير المستقر حتى تحدث مثل هذه الطفرة النقطية. ومرة أخرى ، صممت الدراسة الجديدة نموذجًا لجزء صغير فقط من حبلا الحمض النووي ، ويجب تصميم النظام بأكمله لفهم عدد المرات التي يحدث فيها نفق البروتون. 

يعمل سلوكومب وزملاؤه الآن على تصميم البيئة الأكبر المحيطة بالأزواج الأساسية ؛ وبهذه الطريقة ، يمكنهم البدء في تحديد كيفية تصارع الفيزياء الكمومية والكلاسيكية مع الحمض النووي وقيادة القفز بالبروتونات من خلال آليات مختلفة. يجب أن يساعد هذا الخط من البحث في الكشف عن الظروف التي تجعل نقل البروتون أكثر احتمالا للحدوث وكم مرة تسبب الظاهرة طفرات جينية ضارة.

قال سلوكومبي: “هذا هو سؤال المليون دولار”.

المصدر/ livescience.comالمترجم/barabic.com