Kwantummechanica zou kunnen verklaren waarom DNA spontaan kan muteren

De twee strengen van de beroemde dubbele DNA-helix zijn met elkaar verbonden door subatomaire deeltjes die protonen genoemd worden, in dit geval de kernen van waterstofatomen. De waterstofatomen leveren de 'lijm' die de DNA-moleculen, de nucleobasen of basen, bij elkaar houdt.   

Die zogenoemde waterstofbruggen zijn als het ware de treden van de wenteltrap die de dubbele-helix-structuur vormt. Die structuur waarin de twee DNA-strengen verbonden door de waterstofbruggen, zich om elkaar wentelen, werd in 1952 ontdekt door James Watson en Francis Crick op basis van werk verricht door Rosalind Franklin en Maurice Wilkins. 

Normaal gezien volgen de DNA-basen, cytosine (C), guanine (G), adenine (A) en thymine (T) strikte regels voor hoe ze zich met elkaar verbinden: A verbindt zich steeds met T en C altijd met G. Die strikte paarvorming wordt bepaald door de vorm van de moleculen, die hen doet samenpassen als stukken in een puzzel. 

Maar als de aard van de waterstofbruggen lichtjes verandert, kan dat maken dat de regels voor de paarvorming verstoord worden. En dat kan ertoe leiden dat de verkeerde basen met elkaar verbonden worden en er zich dus een mutatie voordoet. Hoewel dit al voorspeld werd door Crick en Watson, zijn gesofisticeerde computermodellen nu pas in staat om dit proces nauwkeurig te kwantificeren, uit te maken hoe vaak het zich voordoet. 

Het team, dat deel uitmaakt van het onderzoeksprogramma van de University of Surrey in wat ze 'het opwindende nieuwe onderzoeksgebied van de kwantumbiologie' noemen, heeft nu aangetoond dat deze wijziging in de waterstofverbindingen tussen de DNA-strengen veel vaker voorkomt dan tot nu toe werd gedacht.

De protonen blijken gemakkelijk van hun gebruikelijke kant van een energiebarrière over te kunnen springen naar de andere, 'verkeerde' kant. Als dit gebeurt net voor de twee DNA-strengen van elkaar gescheiden worden in de eerste stap van het kopieerproces, kan de fout door het kopieermechanisme in de cel geraken, wat leidt tot een zogenoemde 'DNA-mismatch' en mogelijk tot een mutatie. 

Het team uit Surrey gebruikte een benadering die 'open quantum systems' (open kwantumsystemen) genoemd wordt, om vast te stellen welke fysische mechanismen zouden kunnen maken dat de protonen overspringen van de ene DNA-streng naar de andere. 

Intrigerend daaraan is dat het dankzij een welbekend maar welhaast magisch kwantummechanisme is dat ze erin slagen over te steken, namelijk het tunneleffect of kwantumtunneling. 

Dat effect, dat lijkt op een spook dat dwars door een solide muur gaat, heeft te maken met het feit dat subatomaire deeltjes, en dus ook protonen, zich gedragen als een zich uitspreidende golf. Dat maakt dat in sommige gevallen een deeltje aan de andere kant van een hindernis kan belanden, een zogenoemde potentiaalbarrière, terwijl het volgens de klassieke natuurkunde niet voldoende energie heeft om over de barrière te geraken. 

Het deeltje 'tunnelt' zich als het ware doorheen de hindernis. Doordat de zogenoemde golffunctie van het deeltje binnen in de barrière niet nul wordt maar enkel verkleint, bestaat er een kleine kans dat het deeltje niet teruggekaatst wordt maar door de barrière dringt en aan de andere kant belandt. Hoe 'dunner' de hindernis, hoe vaker dat zal gebeuren. 

Eerder werd gedacht dat dergelijk kwantumgedrag niet kon voorkomen in de warme, natte en complexe omgeving van een levende cel. De Oostenrijkse natuurkundige Erwin Schrödinger, bekend van zijn kat, had echter in 1944 al gesuggereerd in zijn boek 'What is Life?' dat kwantummechanica wel degelijk een rol zou kunnen spelen in levende systemen aangezien die zich toch enigszins anders gedragen dan levenloze materie. Deze studie lijkt nu Schrödingers stelling te bevestigen.  

De onderzoekers stelden vast dat de plaatselijk cellulaire omgeving maakt dat de protonen, die zich zoals gezegd gedragen als golven, thermisch geactiveerd worden en gestimuleerd worden om door de energiebarrière te gaan. 

Het bleek zelfs zo dat de protonen voortdurend en erg snel over en weer 'tunnelen' tussen de twee DNA-strengen. Als het DNA bij de replicatie in twee aparte strengen gesplitst wordt, zitten sommige protonen vast aan de verkeerde kant, wat leidt tot een fout. 

"De protonen in het DNA kunnen langs de waterstofbruggen in het DNA tunnelen en de basen wijzigen die de genetische informatie coderen. De gewijzigde basen worden 'tautomeren' genoemd en ze kunnen de splitsing van het DNA en de replicatieprocessen overleven. Zo veroorzaken ze 'transcriptiefouten' of mutaties", zei doctor Louie Slocombe, die de berekeningen in de studie uitgevoerd heeft tijdens zijn doctoraat en de eerste auteur is. 

"Watson en Crick speculeerden ruim vijftig jaar geleden al over het bestaan en het belang van kwantumeffecten in DNA, maar dat mechanisme is grotendeels over het hoofd gezien", zei Jim Al-Khalili, een professor natuurkunde aan de University of Surrey die het werk van Slocombe gesuperviseerd heeft en mede-auteur van de studie is. 

"Biologen verwachten doorgaans dat tunneling enkel een betekenisvolle rol zou spelen bij lage temperaturen en in relatief eenvoudige systemen. Daarom hadden ze de neiging om kwantumeffecten in DNA niet ernstig te nemen. Met onze studie denken we bewezen te hebben dat die veronderstellingen geen steek houden", zei doctor in de scheikunde Marco Sacchi, die eveneens superviseerde en mede-auteur is. 

De studie van het team van het Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Center van de University of Surrey is gepubliceerd in Communications Physics van Nature. Dit artikel is gebaseerd op een persmededeling van de University of Surrey.