מולקולת הדנ”א האנושית מכילה כשלושה מיליארד בסיסים ומשתכפלת מידי יום כשני טריליון פעמים. כדי שהמבנה התאי ישמר, תהליך השכפול חייב להיות מדויק להפליא, אך יחד עם זאת, הופעתן של מוטציות מלמדת שהתהליך אינו חסין מטעויות. בעזרת הדמיות ממוחשבות, פיזיקאים וכימאים מאוניברסיטת סארי באנגליה הראו שטעויות בשכפול עשויות להתרחש בעקבות מנהור קוונטי.
הגישה המסורתית לחקר מחלות ומוטציות גנטיות מתמקדת בעיקר בהשפעתם של תהליכים ביולוגיים וכימיים, ונוטה להתעלם מתופעות קוונטיות בסיסיות. מעט המאמרים בתחום מוכיחים שהדעה הרווחת בקרב פיזיקאים היא שהסביבה הביולוגית חמה מידי בכדי שתהליכים קוונטים ישפיעו על יצורים חיים. במאמר שפורסם באחד מכתבי העת של נייצ’ר, החוקרים מאוניברסיטת סארי מנסים לאתגר תפיסה זו ולהוכיח שמנהור קוונטי גורם למוטציות גנטיות.
בכדי להבין כיצד מנהור קוונטי מתרחש במולקולת הדנ”א, נפתח בכמה משפטים מקדימים. הסליל הכפול שיוצר את הדנ”א מחובר בעזרת קשרים בין-אטומיים. למען הדיוק, החיבור בין שני צידי הסליל נוצר מקשרי מימן, כלומר פרוטון המדביק את שני צידי המולקולה. אותו פרוטון מתואר לעיתים כשלב בסולם מפותל היוצר את המבנה המפורסם שהתגלה בשנת 1952 על ידי ג’יימס ווטסון ופרנסיס קריק בהתבסס על עבודתם של רוזלינד פרנקלין ומוריס וילקינס. מולקולת הדנ”א היא דרך מופלאה של הטבע לקודד מידע באמצעות ארבעה בסיסים המכונים A,C,T,G עם צימוד ברור בין A ל-T וC ל-G. החיבור הטבעי בין אבני הבניין מתבסס על המבנה המולקולרי שלהם, המונחים בסמוך אחד לשני כמו שני חלקים בפאזל. לעיתים רחוקות חוקי הצימוד נהרסים משום שהקשר המימני משתנה וכתוצאה מכך נוצרים חיבורים “לא טבעיים”. תהליך זה נחזה בעבר על ידי ווטסון וקריק אך רק לאחרונה נבחן לעומק בעזרת מודלים ממוחשבים שחוזים במתרחש. המחקר שנעשה באוניברסיטת סארי הראה ששגיאות אלו נפוצות יותר מכפי שחשבה הקהילה המדעית. בתהליך זה, הפרוטונים יכולים בקלות לחצות מחסומי אנרגיה, כלומר להתמנהר, ולשנות את מיקומם. אם התהליך מתרחש עוד לפני ששני הגדילים נפרמו לאורך השכפול, השגיאה יכולה להתגלגל במהלך העתקה של התא ובאופן פוטנציאלי ליצור מוטציות.
במאמר שפורסם לפני כשבועיים בכתב העת Nature Communications Physics, צוות החוקרים השתמש בעקרונות ממכניקת הקוונטים כדי לחזות בדינאמיקה של מולקולת הדנ”א. בהתבסס על סימולציות שפותחו במיוחד למחקר, כותבי המאמר טוענים שתהליכי מנהור מהווים גורם משמעותי ביצירת מוטציות. באותה נשימה חשוב לציין שמנהור חלקיקים מעולם לא נצפה ישירות במערכות ביולוגיות (אך כן באינספור מערכות פיזיקליות). בתהליך המנהור, חלקיק מצליח “לדלג” מעל מחסום אנרגטי שמכניקה קלאסית אוסרת עליו לעבור (בגלל שאין לו מספיק אנרגיה). הדבר דומה לכדור שנזרק אל עבר הקיר ולפתע נמצא מצידו השני. הסיבה לכך שמנהור נחזה במערכות מזעריות ולא במערכות מקרוסקופיות היא שההסתברות לחצות מחסומי אנרגיה דועכת חזק עם המרחק, או עם עובי המחסום. אדגיש שלא בהכרח מדובר במחסום פיזי, אלא במחסום אנרגטי. כלומר, לעיתים חלקיקים נמצאים במצב (סמי) קשור שחוסם אותם (קלאסית) מלשנות את מצבם משום שאין להם מספיק אנרגיה להשתנות (בין אם את התכונות הפנימיות שלהם כמו התפרקות רדיואקטיבית או תכונות חיצוניות כמו מיקום, תנע וכו’) אך מכניקת הקוונטים מלמדת שעדיין קיימת הסתברות שהחלקיקים, גם אם הם במצב קשור, להימצא במצב אחר. בכדי לתאר במדויק את השפעת הסביבה על מולקולת הדנ”א, החוקרים השתמשו במתמטיקה של מערכות קוונטיות פתוחות המנבאת סטטיסטית תופעות פיזיקאליות כתלות בטמפרטורה ובפרמטרים נוספים. במחקר הנוכחי התגלה שבצימוד לסביבה חמה, מנהור הפרוטון מתרחש בתדירות גבוהה בין שני הגדילים ואף בהסתברות גדולה יותר מהמעברים הקלאסיים (המעבר הקלאסי מתרחש כאשר הפרוטון מקבל לפתע מספיק אנרגיה מהסביבה בכדי לשנות את מיקומו). כתוצאה מהמנהור, הפרוטון יכול להימצא בצד הלא נכון של הסליל וליצור שגיאה בהעתקה במהלך הפרימה.
ד”ר לואי סלוקומב, מכותבי המאמר מסביר: “הפרוטונים בדנ”א יכולים להתמנהר לאורך הקשר המימני ולשנות את אחד הבסיסים בקוד הגנטי. הבסיס הפגום נקרא “טאוטומר” שיכול לשרוד את תהליך השכפול וליצור מוטציות”. ד”ר סלוקומב הונחה על ידי פרופסור ג’ים אל-חלילי, המוכר לציבור מסרטי הדוקו המדעיים ששודרו ברשת ה-BBC. פרופסור אל-חלילי, שגם מופיע ברשימת כותבי המאמר מוסיף כי “לפני 50 שנה, ווטסון וקריק שיערו שמכניקת הקוונטים משחקת תפקיד משמעותי בדנ”א, אך מכניזם שכזה מעולם לא נבחן”.
זו לא הפעם הראשונה שחוקרים מגלים עד כמה דומיננטית מכניקת הקוונטים במערכות ביולוגיות. בשנים האחרונות הועלתה האפשרות שציפורים משתמשות בשזירה קוונטית כדי לחוש בשדה המגנטי של כדור הארץ, שהיעילות הגבוהה של עלים בקליטת פוטונים מתרחשת בזכות סופרפוזיציה, שבעלי חיים מסוגלים להריח בזכות תוכנות מולקולריות שמוסברות רק על ידי מכניקת הקוונטים ואף שהתודעה נובעת מקריסת פונקציית הגל. מלבד הדגמות בסיסיות על צמחים, למיטב ידיעתי תופעות קוונטיות לא הודגמו ישירות בבעלי חיים ועדיין בגדר השערה בלבד. הסיבה שחוקרים מתקשים לקבל את העובדה שתהליכים קוונטים כמו שזירה וסופרפוזיציה יכולים להתרחש במערכות ביולוגיות נובעת מהעובדה שהסביבה הביולוגית חמה, וטמפרטורה נוטה להרוס “קוהרנטיות”, כלומר את האפשרות לשמור על המצב הקוונטי לאורך זמן.
יש לכם שאלה או נושא שתרצו שאכתוב עליו? פנו אליי לכתובת [email protected]
עוד בנושא באתר הידען:
4 תגובות
מייקל, מה הקשר לחיסוני RNA?
RNA לא משפיע על הDNA!
שני מליון, לא שתי מליון
יתכן שיש גם קשר לשדה חשמלי או אפילו קרינת RF לגרום לחימום ולהעלות את האנרגיה במערכת הרגישה הזאת. זה כיוון למחקר המשך
מאוד מעניין ומחשיד עד כמה חשוב לשמר DNA מפני חיסוני RNA DOGMA שכפו עלינו בשעת משבר