Yaşamın moleküllerini oluşturan DNA, şaşırtıcı bir hassasiyetle kopyalanıyor. Fakat hatalardan muaf olmayan bu süreç, mutasyonlara yol açabiliyor. Surrey Üniversitesinde çalışan fizikçi ve kimyagerler, ileri bilgisayar modellemeleri kullanarak kopyalamada meydana gelen bu gibi hataların kuantum dünyasının tuhaf kuralları yüzünden ortaya çıkıyor olabileceğini göstermişler.
DNA’nın ünlü çift sarmalının iki zinciri, proton adı verilen (hidrojen atomlarının çekirdeği) atom altı parçacıklarla birbirine bağlanıyor. Protonlar, baz şeklinde adlandırılan molekülleri birbirine bağlayan yapıştırıcı görevi görüyor. Bu hidrojen bağları, James Watson ile Francis Crick’in 1952 yılında Rosalind Franklin ve Maurice Wilkins’in çalışmasına dayanarak keşfettiği çift sarmallı yapıyı oluşturan bükülmüş bir merdivenin basamaklarına benziyor.
Bu DNA bazları (A, C, T ve G) normalde sıkı kurallarla bağlanıyor. A her zaman T’ye, C ise her zaman G’ye bağlanıyor. Moleküllerin şekliyle belirlenen bu sıkı eşleşme işleminde bazlar, bir yapbozun parçaları gibi bir araya geliyor. Fakat hidrojen bağlarının yapısı biraz değiştiğinde, eşleşme kuralı bozulabiliyor. Bu durum yanlış bazların bağlanmasına yol açıp mutasyon meydana getiriyor. Crick ve Watson bu işlemi tahmin etmişse de, işlemin doğru şekilde ölçülmesi sadece ileri bilgisayar modellemesi sayesinde mümkün olmuş.
Surrey’in yeni ve heyecan verici kuantum biyoloji dalındaki araştırma programının parçasını oluşturan ekip, DNA zincirleri arasındaki bağlarda meydana gelen bu değişimin şimdiye dek düşünülenden çok daha yaygın olduğunu göstermiş. Protonlar, bir enerji bariyerinin bir tarafındaki olağan bölgelerinden diğer tarafa kolaylıkla sıçrayabiliyor. Bu sıçrama işlemi kopyalama işleminin ilk adımında iki zincir ayrılmadan önce gerçekleşirse, oluşan hata hücredeki çoğalma mekanizması boyunca aktarılabiliyor ve DNA uyumsuzluğu adı verilen bir duruma; potansiyel olarak da bir mutasyona yol açabiliyor.
Surrey Üniversitesi Leverhulme Kuantum Biyoloji Doktora Eğitim Merkezinde çalışan araştırma takımı, dün Nature Communications Physics bülteninde yayımlanan bir makalede açık kuantum sistemleri adı verilen bir yaklaşım kullanarak, protonların DNA zincirleri arasında sıçramasına sebep olabilecek fiziksel mekanizmaları belirlemeye çalışmışlar. Fakat en ilginç olanı da, protonların tünelleme şeklinde bilinen bir kuantum mekanizması sayesinde karşıya geçtiğinin belirlenmesi olmuş. Neredeyse sihre benzeyen bu işlem, bir hayaletin katı bir duvardan geçmesini andırıyor.
Daha önce canlı bir hücrenin sıcak, ıslak ve karmaşık ortamında böyle bir kuantum davranışının meydana gelemeyeceği düşünülmüş. Fakat Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger, 1944 tarihli ‘Yaşam Nedir?’ kitabında kuantum mekaniğinin canlı sistemlerde rol oynayabileceğini; çünkü bu sistemlerin cansız maddeden oldukça farklı davrandıklarını öne sürmüş. Yayımlanan bu son çalışma, görünüşe göre Schrödinger’in kuramını doğruluyor.
Araştırmacılar çalışmalarında bölgesel hücre ortamının, yayılan dalgalar gibi davranan protonların ısıl şekilde aktifleşmesine ve bariyerden geçmeye teşvik edilmesine sebep olduğuna karar vermişler. Aslında, protonların iki zincir arasında sürekli ve çok hızlı biçimde ileri geri tünelleme yaptığı bulunmuş. Sonrasında DNA’nın zincirleri ayrıldığı zaman, protonlardan bazıları yanlış bölgede kalıp hataya yol açmış.
Bu hesaplamaları doktora yaparken yürüten Dr. Louie Slocombe, şöyle açıklıyor:
“DNA’daki protonlar, DNA’daki hidrojen bağları boyunca tünelleme yapabiliyor ve genetik bilgiyi kodlayan bazları değiştirebiliyorlar. Değişen bazlar ‘bağ eşiz’ şeklinde adlandırılıyor. DNA’nın ayrılmasını ve kopyalanma işlemlerini atlatan bu bazlar, ‘yazım hatalarına’ veya mutasyonlara sebep oluyor.”
Dr. Slocombe’nin Surrey Üniversitesi Leverhulme Kuantum Biyolojisi Doktora Eğitim Merkezinde yürüttüğü çalışmaya, Prof. Jim El-Halili (Survey Fizik) ve Dr. Marco Sacchi (Surrey Kimya) danışmanlık yapmış.
Prof. El-Halili şöyle yorumluyor:
“Watson ve Crick, kuantum mekaniğinin DNA’daki etkilerinin mevcudiyet ve önemini 50 yılı aşkın süre önce tahmin etmişti. Fakat mekanizma, büyük oranda gözardı edilmişti.”
Dr. Sacchi ise şöyle devam ediyor:
“Biyologlar genelde tünellemenin sadece düşük sıcaklıklarda ve nispeten basit sistemlerde önemli bir rol oynamasını bekler. Bu yüzden, DNA’daki kuantum etkilerini önemsememe eğilimi gösterirler. Biz ise yürüttüğümüz yeni çalışmayla beraber bu varsayımların geçerli olmadığını kanıtladık.”
Kaynak: Surrey Üniversitesi. Çeviren: Ozan Zaloğlu.
