量子力学如何作用于DNA的自发突变
一项创新研究证实，量子力学在生物学中起作用。
量子生物学于1920年代成立，是一门新兴的科学领域，主要研究量子力学的亚原子世界是否在活细胞中起作用。量子力学本质上是一个跨学科领域，汇集了核物理学家，生物化学家和分子生物学家等研究专家。
在本周发表在《Nature Communications Physics》上的一篇论文中，位于萨里大学勒沃胡姆量子生物学博士培训中心的萨里团队使用了最先进的计算机模拟和称为开放量子系统的方法[1]来确定DNA的自发突变。
著名的 DNA 双螺旋的两条链通过称为质子的亚原子粒子（氢原子核）连接在一起，这些所谓的氢键就像一个扭曲的梯子的梯级，构成了于 1952 年由科学家发现的双螺旋结构。
通常，这些 DNA 碱基（称为 A、C、T 和 G）对于它们如何结合在一起遵循严格的规则：A 总是与 T 结合，C 总是与 G 结合。这种严格的配对是由分子的形状决定的，它们就像拼图一样，但是如果氢键的性质发生轻微变化，这可能会导致配对规则被破坏，导致错误的碱基被连接，从而发生突变。
萨里团队已经表明，这种 DNA 链之间键的改变比迄今为止所认为的要普遍得多。质子可以很容易地从能量屏障一侧的通常位置跳到另一侧降落。如果这发生在复制过程的第一步中两条链被解压缩之前，那么错误可能会通过细胞中的复制机制，导致所谓的 DNA 错配，并可能导致突变。
萨里团队通过量子力学中的量子遂穿效应，确定了可能导致质子在 DNA 链之间跳跃的物理机制。质子隧穿涉及质子自一个位置的自发消失以及同一质子在附近的重新出现。
以前人们认为，这种量子行为不可能在活细胞的温暖、潮湿和复杂的环境中发生。然而，量子力学的奠基人奥地利物理学家 Erwin Schrödinger（埃尔温-薛定谔）在其1944年出版的《生命是什么》一书中提出，量子力学可以在生命系统中发挥作用，因为它们的行为与无生命物质截然不同。这项最新工作似乎证实了薛定谔的理论。
在他们的研究中，明确了局部细胞环境导致质子（其行为类似于散布波）被热激活并通过能量屏障被激发。事实上，质子被发现在两条链之间连续且非常快速地来回穿梭。然后，当 DNA 被切割成单独的链时，一些质子被捕获在错误的一侧，从而导致错误。
Louie Slocombe博士表示，DNA中的质子可以沿着DNA中的氢键形成隧道，修改编码遗传信息的碱基。这些修改过的碱基被称为 "互变异构体"，可以在DNA裂解和复制过程中存活下来，从而导致 "转录错误 "或变异。
Al-Khalili教授评论说，沃森和克里克在50多年前就推测了DNA中量子力学效应的存在和重要性，然而，这一机制在很大程度上被忽视了。
Sacchi博士表示，生物学家通常期望隧道效应只在低温和相对简单的系统中发挥重要作用。因此，他们倾向于不考虑DNA中的量子效应。通过我们的研究，我们相信我们已经证明这些假设并不成立。