Роль протонов в кодировании информации
Посмотрите еще раз на нижнюю часть рис. 7.1. Вы заметите, что мы изобразили водородную связь (которая, как вы помните, представляет собой общий для двух оснований протон) в виде пунктирной линии, соединяющей два атома (кислород (O) и азот (N)) спаренных оснований. Но ведь протон является частицей, не так ли? Почему же он изображен в виде линии, а не одиночной точки? Разумеется, потому, что протоны представляют собой квантовые сущности, обладающие свойствами частицы и волны. Так, внутри молекулы ДНК протон делокализован; он ведет себя как нечто размытое, как волна, накатывающая то на одно, то на другое основание. Водород (H) на рис. 7.1 (наиболее вероятное положение протона) во всех связях изображен не на одинаковом расстоянии от парных оснований, а ближе к одному из них, к одной из двух цепочек спирали. Такая асимметрия обусловливает одно из важнейших свойств ДНК.
Давайте рассмотрим одну из возможных пар оснований, а именно A — T. A находится на одной цепочке спирали, T — на другой. Основания держатся в паре благодаря двум водородным связям (протонам): один протон изображен ближе к атому азота основания A, а другой — ближе к атому кислорода основания T (рис. 7.2, а ).
Рис. 7.2. Пары оснований A — T: а — стандартный вид связи пары оснований A — T с обычным расположением протонов; б — протоны поменяли положение на двойной спирали, образовав таутомерическую форму соединений A и T
Эти протоны и образуют водородную связь A — T. Однако не следует забывать, что для квантового мира понятие «ближе» является очень скользким: здесь частицы не имеют фиксированных положений, а характеризуются спектром возможностей пребывания одновременно в разных положениях, включая и те, что возможны только при условии эффекта туннелирования. Если бы протоны, связывающие две буквы генетического кода, вдруг совершили скачок к обратным концам соответствующих водородных связей, они оказались бы ближе к атомам противоположных оснований. Возможность протонов менять свое положение в связи обусловливает существование альтернативных форм соединений оснований — таутомеров (см. рис. 7.2, б ). Так, каждое из оснований ДНК может существовать в обычной (канонической) форме, которая представлена в модели структуры двойной спирали ДНК Уотсона и Крика, и в редкой таутомерической форме, при которой связывающие основания протоны сдвигаются и меняют позицию в связи.
Напомним, что протоны, формирующие водородные связи в молекуле ДНК, обусловливают специфические свойства пары оснований, важные при репликации генетического кода. Так, если пара протонов движется (в противоположных направлениях), это означает, что они успешно переписывают генетический код. Например, если на одном из участков цепи ДНК находится генетическая буква T (тимин), то напротив будет стоять A (в канонической форме пары оснований). Однако при двойном скачке протонов T и A принимают таутомерические формы. Разумеется, протоны могут совершить и обратный скачок, если они оказываются в связи таутомерической формы[125]в тот момент, когда происходит копирование цепи ДНК. В этом случае в новую цепочку ДНК могут быть встроены неправильные основания. Таутомер T образует пару скорее с G, а не с A, поэтому в новую цепочку напротив T (туда, где в старой цепи стоит A) будет вставлено основание G. Подобным образом, если A приобретает таутомерическую форму в момент репликации ДНК, образуется пара A — C, а не A — T, поэтому в новой цепи напротив A (туда, где в старой цепи стоит T) будет вставлено основание C (рис. 7.3). В обоих случаях в новых цепочках ДНК будут наблюдаться мутации — изменения в последовательностях ДНК, которые будут переданы последующим поколениям.
Рис. 7.3. Таутомер T в енольной форме (на рисунке обозначается T*) ошибочно образует пару с G, а не со своим постоянным партнером A. Подобным образом таутомер A (на рисунке A*) ошибочно образует пару с C, а не с T. Если эти пары образуются в процессе репликации ДНК, возникает мутация
Несмотря на очевидную правдоподобность данной гипотезы, было очень сложно подтвердить ее прямыми доказательствами. Однако в 2011 году, почти через 60 лет после того, как Уотсон и Крик опубликовали статью о двойной спирали ДНК, команде ученых из Медицинского центра Университета Дьюка (США) удалось доказать, что неправильные пары оснований ДНК с таутомерическими положениями протонов в связях действительно могут встраиваться в активный центр ДНК-полимеразы (фермент, образующий новую ДНК), а точнее, в новые цепочки ДНК в процессе репликации и обусловливать мутации[126].
Таким образом, таутомеры с альтернативным расположением протонов являются причиной мутаций, а следовательно, и движущей силой эволюции. Однако что же заставляет протоны менять положение? Согласно одному из «классических» объяснений, протоны время от времени «встряхиваются» из-за постоянных молекулярных вибраций, окружающих их. Тем не менее это возможно только при условии достаточного количества тепловой энергии, которая дает толчок, «встряску» молекуле. Как и в реакциях, катализируемых ферментами, о которых мы говорили в главе 3, для смены положения протону необходимо преодолеть достаточно высокий энергетический барьер. К тому же протоны могут получать толчок после столкновений с соседними молекулами воды, однако вблизи протонов, формирующих водородные связи внутри молекулы ДНК, нет молекул воды, способных передать такой толчок другим частицам.
Однако есть еще один фактор — тот, который играет важную роль в переносе электронов и протонов ферментами. Благодаря волновой природе элементарные частицы, такие как электроны и протоны, могут участвовать в квантовом туннелировании. Нестабильность положения какой бы то ни было частицы позволяет ей просачиваться через энергетический барьер. В главе 3 мы говорили о том, как ферменты обеспечивают возможность туннелирования электронов и протонов, подводя молекулы ближе друг к другу. Спустя десятилетие после публикации фундаментальной статьи Уотсона и Крика шведский физик Пер-Улоф Левдин, которого мы уже упоминали в этой главе, предположил, что протоны внутри водородных связей перемещаются посредством квантового туннелирования, в результате чего образуются таутомерические — мутационные — формы нуклеотидов.
Важно отметить, что мутации ДНК могут быть обусловлены действием множества различных механизмов, в том числе воздействием химических веществ, ультрафиолетового излучения, частиц, выпускаемых в результате радиоактивного распада, и даже космического излучения. В результате воздействия этих факторов изменения происходят на молекулярном уровне, а значит, они неизбежно сопровождаются квантово-механическими процессами. Пока не получены доказательства того, что все эти источники мутаций связаны с таинственными аспектами квантовой механики. Тем не менее доказано, что квантовое туннелирование играет большую роль в образовании таутомерических форм ДНК-оснований. Значит, мистическая природа других квантовых процессов, возможно, играет определенную роль в возникновении мутаций, движущих эволюцией.
И все же таутомеры ДНК-оснований составляют лишь 0,01 % всех ДНК-оснований. Их образование приводит к ошибкам одного порядка. Такое соотношение гораздо выше, чем показатель всех мутаций в природе, — одна на миллиард случаев, поэтому, если таутомеры действительно присутствуют в двойной спирали, потенциальных сбоев легко избежать путем различных процессов исправления ошибок (проверочных процессов), призванных обеспечивать высокую надежность репликации ДНК. Однако ошибки, возникающие благодаря квантовому туннелированию, не поддаются корректировке проверочных механизмов и продолжают быть источником природных мутаций, которые обеспечивают эволюцию всех земных форм жизни.
Открытие механизмов, лежащих в основе мутации, важно не только для понимания эволюции. Оно может пролить свет на то, как возникают генетические заболевания, как здоровые клетки становятся раковыми (доказано, что генетические и онкологические заболевания обусловлены мутациями). Однако не так легко проверить, основан ли механизм конкретной мутации на эффекте туннелирования, поскольку, в отличие от некоторых других видов воздействия на клетку, например химических веществ или излучения, этот эффект нельзя просто «включить» и «выключить». Следовательно, пока мы не имеем возможности сравнить соотношение мутаций, обусловленных квантовым туннелированием и не обусловленных квантовым процессом, и посмотреть, чем они отличаются друг от друга.
Есть еще один способ подтвердить квантово-механический аспект генетических мутаций. Он основывается на различиях между информацией в классическом понимании и квантовой информацией. Классическая информация может считываться и перечитываться снова и снова, при этом не меняя своего содержания, в то время как информация квантовых систем искажается при попытке измерений. Когда фермент ДНК-полимераза изучает ДНК-основание и пытается определить положение протонов в водородной связи, он осуществляет квантовое измерение, ничем не отличающееся от измерений, проводимых над теми же протонами ученым-физиком в лаборатории. Оба этих процесса и их измерения влияют на квантовую систему: с точки зрения квантовой механики вовсе не важно, выполняется измерение ферментом ДНК-полимеразой внутри клетки или счетчиком Гейгера в лаборатории, — в любом случае положение измеряемой частицы изменится. Если состояние частицы соответствует определенной букве генетического кода, означает ли это, что измерения, особенно частые, регулярные, будут способствовать изменению кода и вызывать мутации? Есть ли тому доказательства?
Несмотря на то что весь геном человека копируется во время репликации ДНК, считывание большей части информации генома осуществляется в ходе двух процессов, при которых генетическая информация используется для обеспечения синтеза белков. Первый из этих процессов — транскрипция — подразумевает перенос генетической информации с ДНК в РНК. РНК химически родственна ДНК. Скопировав информацию ДНК, РНК отправляется к механизму синтеза белков и инициирует их производство, или второй из упомянутых процессов, известный также как трансляция . Чтобы отличать эти процессы от репликации ДНК (копирования генетической информации), мы будем называть их процессами считывания ДНК-кода.
Ключевая особенность процесса считывания ДНК-кода заключается в том, что некоторые гены считываются чаще, чем другие. Если считывание ДНК-кода во время транскрипции является квантовым измерением, можно предположить, что наиболее часто считываемые гены будут подвержены более серьезным изменениям, обусловленным измерениями, а следовательно, будут содержать большее количество мутаций. Некоторые исследователи утверждают, что их эксперименты доказывают это предположение. Так, например, Абхиджит Датта и Сью Джинкс-Робертсон из Университета Эмори (Атланта, США) воздействовали на один и тот же ген дрожжевой клетки таким образом: сначала ген был считан несколько раз для получения небольшого количества белка, а затем — множество раз для получения больших объемов белка. Ученые обнаружили, что количество мутаций гена возросло в 30 раз после того, как участились случаи считывания его информации[127]. В ходе эксперимента с клетками мыши были получены схожие результаты[128], а недавние исследования генов человека показали, что наиболее часто считываемые гены чаще подвергаются мутациям[129]. Такие результаты согласуются с наличием квантово-механического измерения, однако они не доказывают связи образования мутаций с квантовой механикой. Считывание ДНК-кода сопровождается биохимическими реакциями, которые могут изменить или даже разрушить молекулярную структуру генов различными способами, также вызывая мутации, к которым квантовая механика не имеет никакого отношения.
Чтобы проверить, связан ли биологический процесс с квантовой механикой, необходимы данные, которые очень трудно или вовсе невозможно интерпретировать, не прибегая к основам квантовой механики. К слову, именно этот парадокс пробудил в нас интерес к определению роли квантовой механики в биологии.