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La biologia quantistica “spettrale” potrebbe spiegare le mutazioni del DNA

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La meccanica quantistica – un campo che non convinceva Albert Einstein, tanto che lo definiva “spettrale” – potrebbe influenzarci in un modo del tutto personale? Molto probabilmente si. La ricerca teorica sta cominciando a suggerire che effetti quantistici potrebbero guidare le mutazioni nel DNA umano. Se fosse vero, questo potrebbe cambiare il modo in cui comprendiamo il cancro, le malattie genetiche e persino le origini della vita.

Gli scienziati una volta pensavano che i sistemi biologici fossero troppo caldi, umidi e caotici per sperimentare strani effetti quantistici come il tunneling protonico, in cui la forma d’onda della particella si diffonde, permettendole di attraversare una barriera energetica che normalmente ne bloccherebbe il passaggio. In generale, più c’è calore e caos, minore è l’effetto quantistico; quindi, per molti anni, gli scienziati hanno pensato che nel corpo umano i comportamenti quantistici sarebbero stati troppo piccoli per avere importanza.

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Ma non riesci a trovare quello che non stai cercando. Ora che i fisici quantistici iniziano a curiosare nel mondo disordinato e complesso della biologia, stanno scoprendo che la meccanica quantistica è in gioco, anche all’interno del nostro DNA. Benvenuti nel mondo della biologia quantistica.

Un primer sulle mutazioni puntiformi

L’iconica doppia elica del DNA è formata da due filamenti molecolari avvolti con punte al centro che si collegano come pezzi di un puzzle, ciascuno con una di quattro forme diverse, chiamate con una lettera. Le forme a T si legano alle forme A e le forme G si collegano alle forme C, formando quelle che sono note come “coppie di basi“. Questi piccoli rami molecolari si collegano attraverso deboli attrazioni tra i loro atomi di idrogeno, che hanno un singolo protone ed elettrone.

A volte si verifica un errore e le lettere si accoppiano in modo errato, un errore che chiamiamo mutazione puntiforme. Le mutazioni puntiformi possono sommarsi e causare problemi al DNA, a volte portando al cancro o ad altri problemi di salute. Molto spesso il risultato di errori durante la replicazione del DNA, le mutazioni puntiformi possono anche essere causate dall’esposizione ai raggi X, dai raggi UV o da qualsiasi cosa che eccita le particelle atomiche a spostarsi dai loro luoghi canonici.

Biologia quantistica

Per 50 anni, i ricercatori hanno discusso se i protoni che cambiano posizione tra filamenti di DNA debolmente legati possano causare mutazioni puntiformi. La risposta sembrava no. Molti studi hanno concluso che gli stati intermedi della coppia di basi creati dalla commutazione del protone erano troppo instabili e di breve durata per essere replicati nel DNA. Ma un nuovo studio pubblicato sulla rivista Communications Physics rileva che questi stati possono essere frequenti e stabili e che i processi quantistici possono guidarne la formazione.

I ricercatori hanno modellato il trasferimento di protoni tra i legami idrogeno della coppia di basi G:C in un mare infinito di particelle vibranti simili a molle, che rappresentano l’ambiente cellulare caotico. I loro calcoli mostrano che il trasferimento di protoni attraverso il tunneling quantistico può avvenire molto rapidamente per le connessioni G:C al centro di un’elica del DNA, entro poche centinaia di femtosecondi, o 0,000000000000001 secondi. Un tale tasso è molto più veloce della nostra scala temporale biologica.

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Questo passaggio avviene così velocemente e così spesso che al nostro DNA “sembra” come se una proporzione di protoni visitasse sempre i loro vicini, nello stesso modo in cui un’immagine su uno schermo può lampeggiare così velocemente da sembrare ferma ai nostri occhi. Questo passaggio super veloce di protoni da un lato all’altro del ponte significa che le coppie di basi cambiano costantemente tra la loro forma originale e una forma leggermente diversa. Queste forme intermedie possono causare una mancata corrispondenza durante la replicazione del DNA, quando i filamenti vengono aperti, letti e copiati.

Invece di impedire ai protoni il tunneling, il nostro calore biologico può fungere da fonte di attivazione termica, fornendo ai protoni energia sufficiente per passare dall’altra parte. In effetti, il trasferimento di protoni attraverso il tunneling quantistico è quattro volte più probabile di quanto previsto dalla fisica classica. Non solo questi eventi sono comuni, ma sono anche di lunga durata. Sulla base di precedenti studi computazionali, i ricercatori prevedono che questi cambiamenti molecolari dovrebbero essere stabili abbastanza a lungo da poter essere replicati, causando una mutazione.

Ci sono due limiti principali con il lavoro. In primo luogo, i ricercatori non hanno studiato le coppie di basi A:T, notando che per questi legami, lo stato intermedio è altamente instabile e non ha le stesse probabilità di svolgere un ruolo nelle mutazioni del DNA. In secondo luogo, questo lavoro teorico trarrebbe vantaggio da test sperimentali per convalidare o contestare i risultati.

Un quanto di conforto?

Sulla base dei calcoli del team, le mutazioni puntiformi dovrebbero apparire nel nostro DNA molto più frequentemente di quanto non facciano. I ricercatori attribuiscono questa differenza a “meccanismi di riparazione del DNA altamente efficienti” che trovano e annullano il danno. Ad esempio, il nostro meccanismo di replicazione del DNA include un’abilità di “correzione di bozze“, in cui gli errori vengono rilevati e corretti, una sorta di errore di battitura. Grazie al cielo per i redattori di copie biologiche.

La facilità del tunneling protonico e la longevità di questi stati intermedi potrebbero anche essere rilevanti per gli studi sull’origine della vita, scrivono i ricercatori, perché il tasso di evoluzione precoce è legato al tasso di mutazione dell’RNA a filamento singolo. Quindi, sebbene il mondo quantistico possa sembrare strano e distante, potrebbe aver giocato un ruolo nel darci la vita e anche nel portarcela via.

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