生命分子，DNA，以惊人的精度复制，但这一过程也不能避免错误，并可能导致突变。萨里大学(University of Surrey)的一组物理学家和化学家利用复杂的计算机建模，表明这种复制错误可能是由于量子世界的奇怪规则造成的。著名的DNA双螺旋结构的两条链是由一种叫做质子的亚原子粒子连接在一起的，它提供了一种粘合剂，将被称为碱基的分子连接在一起。这些所谓的氢键就像扭曲的梯子的梯级，组成了双螺旋结构，由詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克在罗莎琳德·富兰克林和莫里斯·威尔金斯的工作基础上于1952年发现。通常，这些DNA碱基(被称为A、C、T和G)在结合时遵循严格的规则，这种严格配对是由分子的形状,拟合在一起像块拼图,但是如果氢键的性质略有变化,这可能会导致配对规则分解,导致错误的基地有关,因此突变。虽然克里克和沃森已经做出了预测，但直到现在，复杂的计算模型才能够准确地量化这一过程。作为萨里大学量子生物学这一激动人心的新领域研究项目的一部分，该研究小组已经表明，DNA链之间的化学键的这种修改比迄今为止所认为的要普遍得多。质子可以轻易地从它们通常位于能量势垒一侧的位置跃迁到能量势垒的另一侧。如果这恰好发生在复制过程的第一步，即两条链被解压缩之前，那么错误就会通过细胞内的复制机制，导致所谓的DNA不匹配，甚至可能发生突变。在本周发表在《自然通讯物理学》(Nature Communications Physics)杂志上的一篇论文中，来自勒沃休姆量子生物学博士培训中心的萨里研究小组使用了一种称为开放量子系统的方法，来确定可能导致质子在DNA链之间跳跃的物理机制。但是，最有趣的是，多亏了一种著名的、几乎是神奇的量子机制——隧道效应——类似于幽灵穿过一堵坚固的墙——它们才得以通过。以前人们认为，这种量子行为不可能在活细胞温暖、潮湿和复杂的环境中发生。然而，奥地利物理学家欧文Schr?dinger在他1944年的著作《生命是什么?》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非常不同。这项最新的研究似乎证实了Schr?dinger的理论。在他们的研究中，作者确定，局部的细胞环境导致行为类似于传播波的质子被热激活并鼓励通过能量屏障。事实上，质子被发现是连续的并且非常迅速地在两条链之间穿隧。然后，当DNA分裂成独立的链时，一些质子被捕获在错误的一侧，导致错误。Louie Slocombe博士在他的博士学位期间进行了这些计算，他解释说:“DNA中的质子可以沿着DNA中的氢键隧穿，并修改编码遗传信息的碱基。这些修饰过的碱基被称为“异构体”，可以在DNA裂解和复制过程中存活，导致“转录错误”或突变。斯洛科姆博士在萨里大学勒沃休姆量子生物学博士培训中心的工作，由萨里大学物理系的吉姆·阿尔-哈利利教授和萨里大学化学系的马可·萨基博士指导，并发表在《通信物理学》杂志上。并且愿意采纳这位教授的评论:“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，这种机制在很大程度上被忽视了。”萨基博士继续说:“生物学家通常认为，只有在低温和相对简单的系统中，隧道挖掘才能发挥重要作用。因此，他们倾向于低估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是不成立的。”文章标题An open quantum systems approach to proton tunnelling in DNA