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La dualità onda-particella dei protoni fa si che possano passare “magicamente” da una posizone a un’altra durante la dupicazione, inducendo degli errori nel processo di copia.
Le molecole della vita, il DNA, si replicano con sorprendente precisione, eppure questo processo non è immune da errori e può portare a mutazioni. Utilizzando sofisticati modelli al computer, un team di fisici e chimici dell’Università del Surrey ha dimostrato che tali errori nella copiatura possono sorgere a causa delle strane regole del mondo quantistico.
I due filamenti della famosa doppia elica del DNA sono collegati tra loro da particelle subatomiche chiamate protoni – i nuclei degli atomi di idrogeno – che forniscono la colla che lega insieme molecole chiamate basi azotate.
Questi cosiddetti legami idrogeno sono come i pioli di una scala arrotolata che costituisce la struttura a doppia elica scoperta nel 1952 da James Watson e Francis Crick sulla base del lavoro di Rosalind Franklin e Maurice Wilkins.
Normalmente, queste basi di DNA (chiamate A, C, T e G) seguono regole ferree su come si legano insieme: A si lega sempre a T e C sempre a G. Questo rigoroso accoppiamento è determinato dalla forma delle molecole, che si incastrano come pezzi in un puzzle, ma se la natura dei legami idrogeno cambia leggermente, può causare la rottura della regola di accoppiamento, portando a collegare le basi sbagliate e quindi a una mutazione.
Sebbene previsto da Crick e Watson, è solo ora che una sofisticata elaborazione computazionale è stata in grado di quantificare il processo con precisione.
Il team, parte del programma di ricerca dell’unviersità inglese di Surrey nel nuovo entusiasmante campo della biologia quantistica, ha dimostrato che questa modifica nei legami tra i filamenti di DNA è molto più diffusa di quanto si pensasse finora.
I protoni possono facilmente passare dal loro usuale sito dalla parte opposta rispetto alla barriera energetica che li separa. Se ciò accade poco prima che i due filamenti si separino nella prima fase del processo di copia, l’errore può passare attraverso il meccanismo di replicazione nella cellula, portando a quella che viene chiamata una mancata corrispondenza del DNA e, potenzialmente, a una mutazione.
In un articolo pubblicato questa settimana sulla rivista Nature Communications Physics, il team del Surrey con sede nel Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Centre ha utilizzato un approccio quantistico determinare i meccanismi fisici che potrebbero far saltare i protoni tra i filamenti di DNA.
Ma, cosa più intrigante, è grazie a un meccanismo quantistico ben noto ma quasi magico chiamato tunnelling – simile a un fantasma che passa attraverso un muro solido – che riescono a attraversare la barriera.
In pratica è conme se ci fosse una galleria (in inglese tunnel) nel muro energetico che separa le due posizioni.
In precedenza si pensava che tale comportamento quantistico non potesse verificarsi all’interno dell’ambiente caldo, umido e complesso di una cellula vivente. Tuttavia, il fisico austriaco Erwin Schrödinger aveva suggerito nel suo libro del 1944 “Che cos’è la vita?” che la meccanica quantistica può svolgere un ruolo nei sistemi viventi poiché si comportano in modo piuttosto diverso dalla materia inanimata. Quest’ultimo lavoro sembra confermare la teoria di Schrödinger.
Nel loro studio, gli autori affermano che l’ambiente cellulare locale fa sì che i protoni, che si comportano come onde (uno degli aspetti salienti della fisica quantistica è che le particelle sono al contempo corpuscoli e onde), vengano attivati termicamente e spinti attraverso la barriera energetica.
I protoni dunque fanno continuamente e molto rapidamente tunneling 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, portando a un errore.
Il dottor Louie Slocombe, che ha eseguito questi calcoli durante il suo dottorato di ricerca, spiega che i protoni nel DNA possono passare nei tunnel lungo i legami idrogeno nel DNA e modificare le basi che codificano l’informazione genetica. Le basi modificate sono chiamate “tautomeri” e possono sopravvivere ai processi di scissione e replicazione del DNA, causando “errori di trascrizione” o mutazioni.
Il lavoro del Dr Slocombe presso il Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Centre del Surrey è stato supervisionato dal Prof Jim Al-Khalili (Fisica, Surrey) e dal Dr Marco Sacchi (Chimica, Surrey) e pubblicato su Communications Physics.
Il Prof. Al-Khalili ha commentato: ”Watson e Crick hanno speculato sull’esistenza e l’importanza degli effetti della meccanica quantistica nel DNA ben oltre 50 anni fa, tuttavia, il meccanismo è stato in gran parte trascurato”.
”I biologi in genere si aspettano che il tunnelling svolga un ruolo significativo solo a basse temperature e in sistemi relativamente semplici. Pertanto, tendevano a scontare gli effetti quantistici nel DNA. Con il nostro studio, crediamo di aver dimostrato che queste ipotesi non reggono” afferma Sacchi.
