21 Cơ học lượng tử có thể giải thích DNA có thể đột biến một cách tự nhiên mới nhất

DNA, các phân tử của sự sống, có thể sao chép với độ chính xác đáng kinh ngạc. Tuy nhiên quá trình này không hề miễn nhiễm với sai lỗi, thậm chí có thể dẫn đến những đột biến.

Bằng việc sử dụng mô phỏng phức tạp trên máy tính, một nhóm các nhà vật lý và hóa học tại trường đại học Surrey đã chứng tỏ nhiều sai lỗi trong sao chép có thể gia tăng tuy thuộc vào các quy tắc “lạ” của thế giới lượng tử.
Hai chuỗi xoắn kép DNA nổi tiếng đã được liên kết bằng các hạt hạ nguyên tử mà người ta gọi là các proton – hạt nhân của các nguyên tử hydro – đem đến chất “keo dính” để gắn kết các phân tử, hay còn gọi là các cặp base lại với nhau. Các liên kết hydro đó giống như những bậc thang của một cái thang xoắn tạo nên cấu trúc xoắn kép mà vào năm 1952, James Watson và Francis Crick đã phát hiện ra trên cơ sở công trình của Rosalind Franklin và Maurice Wilkins.
Thông thường, các cặp base DNA này (A, C, T và G) đều tuân theo những quy tắc hết sức nghiêm ngặt về cách liên kết với nhau: một liên kết luôn luôn giữa A với T và C luôn luôn với G. Việc kết cặp này được xác định bằng hình dạng của các phân tử, gắn chúng lại với nhau giống như các miếng trong một bức tranh xếp hình nhưng nếu bản chất của liên kết hydrogen thay đổi dù chỉ chút ít, nó cũng có thể là nguyên nhân khiến quy tắc kết cặp này bị phá vỡ rồi dẫn đến những cặp base lỗi gắn kết với nhau và tạo ra một đột biến. Dẫu đã được Crick và Watson dự đoán nhưng hiện tại, chỉ có mô phỏng máy tính phức tạp mới có thể định lượng được chính xác quá trình đó.
Nhóm nghiên cứu này, trong khuôn khổ chương trình nghiên cứu của trường đại học Surrey về lĩnh vực khoa học mới sinh học lượng tử, đã chứng tỏ được sự biến đổi trong các liên kết giữa các sợi DNA diễn ra nhiều hơn so với trước đây người ta vẫn nghĩ. Các protons có thể dễ dàng nhảy từ vị trí thông thường của mình trên một mức năng lượng để “hạ cánh” xuống một vị trí khác. Nếu điều này có thể xảy ra trước khi khi hai sợi DNA mở ra trong bước đầu tiên của quá trình sao chép, thì sau đó sai lỗi có thể được chuyển qua “cỗ máy” sao chép trong tế bào, dẫn đến cái gọi là lỗi ghép DNA và có tiềm năng trở thành một đột biến.
Trong “An open quantum systems approach to proton tunnelling in DNA” (Một cách tiếp cận các hệ lượng tử mở tới đường hầm proton trong DNA), bài báo xuất bản trên tạp chí Communications Physics *, nhóm nghiên cứu ở Surrey tại Trung tâm đào tạo tiến sĩ sinh học lượng tử Leverhulme, đã dùng một cách tiếp cận vẫn gọi là các hệ lượng tử mở để xác định các cơ chế vật lý có thể là nguyên nhân khiến các proton nhảy khắp các sợi DNA. Nhưng ngạc nhiên nhất là phải nhờ đến đường hầm, một cơ chế lượng tử được biết đến một cách rộng rãi – giống như một “bóng ma” có thể vượt qua một bức tường chắc chắn – giúp họ kiểm soát được quá trình này.
Trước đây người ta vẫn cho là hành xử lượng tử có thể không xuất hiện bên trong một môi trường nóng, ẩm và phức tạp của một tế bào sống. Tuy nhiên, nhà vật lý người Áo Erwin Schrödinger đã đề xuất trong cuốn sách xuất bản năm 1944 của mình “What is Life?” (Sự sống là gì?): cơ học lượng tử có thể đóng một vai trò nhất định trong các hệ sống do chúng hành xử khác biệt với vật chất không sống. Công trình mới này dường như đã xác nhận lý thuyết của Schrödinger.
Trong nghiên cứu của họ, các tác giả xác định môi trường tế bào địa phương là nguyên nhân khiến các proton, vốn hành xử lan truyền như sóng, hoạt hóa và được khuyến khích vượt qua hàng rào năng lượng. Trên thực tế, họ thấy các proton xuyên qua lại giữa hai sợi DNA một cách liên tục và tốc độ cao. Sau đó, khi DNA bị tách làm hai sợi riêng rẽ, một số proton đã bắt lấy bên lỗi và dẫn đến việc tạo ra một sai hỏng.
Tiến sĩ Louie Slocombe, người đảm trách phần tính toán trong thời kỳ làm nghiên cứu sinh dưới sự hướng dẫn của giáo sư Jim Al-Khalili (vật lý, Surrey) và tiến sĩ Marco Sacchi (hóa học, Surrey), giải thích: “Các proton trong DNA có thể xuyên hầm dọc các liên kết hydrogen trong DNA và biến đổi các cặp base vốn mã hóa thông tin di truyền. Các cặp base đã bị biến đổi này được gọi là các “tautomer” và có thể sống sót trong quá trình phân tách DNA và quá trình sao chép, là nguyên nhân dẫn đến ‘các lỗi ghi’ hoặc các đột biến”.
Giáo sư Jim Al-Khalili bình luận “Watson và Crick đã xem xét về sự tồn tại và tầm quan trọng của các hiệu ứng cơ học lượng tử trong DNA 50 năm trước nhưng cơ chế này vẫn thường bị bỏ qua”. Tiến sĩ. Sacchi bổ sung quan điểm “Các nhà sinh học có thể chỉ cho là hiện tượng xuyên hầm đóng vai trò đáng kể tại các mức nhiệt độ thấp và các hệ đơn giản. Do đó, họ có xu hướng không quan tâm đến hiệu ứng lượng tử trong DNA. Với nghiên cứu của chúng tôi, chúng tôi tin là mình đã chứng minh là không nên giữ khư khư những suy nghĩ đó”.