알버트 아인슈타인이 한때 "으스스하다"고 비웃었던 분야인 양자역학이 우리에게 매우 개인적인 방식으로 영향을 미칠 수 있을까? 아마도. 이론적 연구는 양자 효과가 인간 DNA의 돌연변이를 유발할 수 있다고 제안하기 시작했다. 사실이라면 이것은 우리가 암, 유전병, 심지어 생명의 기원을 이해하는 방식을 바꿀 수 있다.

한때 과학자들은 생물학적 시스템이 너무 따뜻하고 축축하며 혼란스러워서 양성자 터널링과 같은 이상한 양자 효과를 경험할 수 없다고 생각했다. 이 경우 입자의 파형이 퍼져 일반적으로 통과를 차단하는 에너지 장벽을 넘어갈 수 있다. 일반적으로 열과 혼돈이 많을수록 양자 효과는 작아진다. 그래서 수년 동안 과학자들은 인체에서 양자 행동이 너무 작아서 중요하지 않을 것이라고 생각했다.

그러나 찾고 있지 않은 것을 찾을 수 없다. 양자 물리학자들이 복잡한 생물학 세계를 파헤치기 시작하면서 그들은 심지어 우리의 DNA 내에서도 양자 역학을 발견하고 있다. 양자 생물학의 세계에 오신 것을 환영한다.

점 돌연변이에 대한 입문서

DNA의 상징적인 이중 나선은 퍼즐 조각처럼 연결되어 있는 중심에 비트가 있는 두 개의 코일링 분자 가닥으로 형성되며, 각각은 문자로 이름이 지정된 네 가지 모양 중 하나이다. T 모양은 A 모양에 결합하고 G 모양은 C 모양과 연결되어 "염기쌍"으로 알려진 것을 형성한다. 이 작은 분자 가지는 단일 양성자와 전자를 가진 수소 원자 사이의 약한 인력을 통해 연결된다.

때때로 오류가 발생하고 문자가 잘못 짝지어진다. 이러한 실수를 점 돌연변이라고 한다. 점 돌연변이는 합산되어 DNA에 문제를 일으킬 수 있으며, 때로는 암이나 기타 건강 문제로 이어질 수 있다. 대부분의 경우 DNA 복제 중 실수로 인해 발생하는 점 돌연변이는 X선 노출, UV 방사선 또는 원자 입자를 자극하여 질서 있는 위치에서 이동하도록 하는 모든 것에 의해 발생할 수도 있다.

양자 생물학

50년 동안 연구자들은 약하게 결합된 DNA 가닥 사이에서 위치를 바꾸는 양성자가 점돌연변이를 일으킬 수 있는지에 대해 토론해 왔다. 대답은 '아니오'인 것 같았다. 많은 연구에서 양성자 전환에 의해 생성된 중간 염기쌍 상태가 너무 불안정하고 수명이 짧아서 DNA에서 복제할 수 없다는 결론을 내렸다. 그러나 커뮤니케이션 피직스(Communications Physics) 저널에 발표된 새로운 연구에서는 이러한 상태가 빈번하고 안정적일 수 있으며 양자 프로세스가 이러한 상태를 형성할 수 있음을 발견했다.

연구원들은 무질서한 세포 환경을 나타내는 스프링과 같은 진동 입자의 무한한 바다에서 G:C 염기쌍의 수소 결합 사이의 양성자 이동을 모델링했다. 그들의 계산은 양자 터널링을 통한 양성자 이동이 DNA 나선의 중심에 있는 G:C 연결에 대해 수백 펨토초 또는 0.000000000000001초 이내에 매우 빠르게 발생할 수 있음을 보여준다. 이러한 속도는 우리의 생물학적 시간 척도보다 훨씬 빠르다.

이 전환은 너무 빠르고 자주 일어나서 우리의 DNA에는 일정 비율의 양성자가 항상 이웃을 방문하는 것처럼 "나타난다". 같은 방식으로 화면의 이미지가 너무 빨리 깜박여서 우리 눈에는 여전히 보인다. 다리의 한 쪽에서 다른 쪽으로 양성자의 초고속 전환은 염기쌍이 원래 형태와 약간 다른 모양 사이에서 끊임없이 변화한다는 것을 의미한다. 이러한 중간 형태는 가닥이 열리고 읽고 복사될 때 DNA 복제 중에 불일치를 일으킬 수 있다.

양성자가 터널링 되는 것을 방지하는 대신, 우리의 생물학적 온기는 열 활성화의 원천으로 작용하여 양성자가 다른 쪽으로 튀어나올 수 있는 충분한 에너지를 제공할 수 있다. 실제로 양자 터널링을 통한 양성자 이동은 고전 물리학에서 예측한 것보다 4배 더 가능성이 높다. 이러한 현상은 흔할 뿐만 아니라 오래 지속된다. 이전의 전산 연구를 기반으로 연구원들은 이러한 분자 변화가 복제될 수 있을 만큼 오랫동안 안정적이어야 하며 돌연변이를 일으킬 것이라고 예측한다.

작업에는 두 가지 주요 제한 사항이 있다. 첫째, 연구원들은 A:T 염기쌍을 조사하지 않았으며, 이러한 결합의 경우 중간 상태가 매우 불안정하고 DNA 돌연변이에서 역할을 할 가능성이 적다는 점에 주목했다. 둘째, 이 이론적 작업은 실험적 테스트를 통해 결과를 검증하거나 이의를 제기할 수 있다.

위안의 양자?

팀의 계산에 따르면 점 돌연변이는 실제보다 훨씬 더 자주 DNA에 나타나야 한다. 연구자들은 이러한 차이가 손상을 찾아 복구하는 "매우 효율적인 DNA 복구 메커니즘" 때문이라고 생각한다. 예를 들어, 우리의 DNA 복제 기계에는 일종의 오타와 같은 실수를 감지하고 수정하는 "교정" 기능이 포함되어 있다. 생물학적 사본 편집자에게 감사하다.

양성자 터널링의 용이성과 이러한 중간 상태의 수명은 생명의 기원에 대한 연구와도 관련이 있을 수 있다고 연구진은 밝혔다. 초기 진화 속도는 단일 가닥 RNA의 돌연변이 속도와 관련이 있기 때문이다. 따라서 양자 세계가 이상하고 멀게 보일지라도 그것은 우리에게 생명을 주는 역할을 했을 수도 있고 그것을 앗아가기도 했을 것이다.