Tunelamento Quântico & DNA

As moléculas da vida, o DNA, se replicam com uma precisão impressionante, mas esse processo não é imune a erros e pode levar a mutações. Usando modelagem computacional sofisticada, uma equipe de físicos e químicos da Universidade de Surrey, no Reino Unido, mostrou que esses erros de replicação podem surgir devido às estranhas regras do mundo quântico.

As duas fitas da famosa dupla hélice de DNA estão ligadas por partículas subatômicas chamadas prótons – os núcleos dos átomos de hidrogênio – que fornecem a cola que une moléculas chamadas bases. Essas chamadas ligações de hidrogênio são como os degraus de uma escada torta que compõe a estrutura de dupla hélice descoberta em 1952 por James Watson e Francis Crick com base no trabalho de Rosalind Franklin e Maurice Wilkins.

Normalmente, essas bases de DNA (chamadas A, C, T e G) seguem regras rígidas sobre como elas se unem: A sempre se liga a T e C sempre a G. Essa formação de pares estrita é determinada pela forma das moléculas, encaixando-as como peças em um quebra-cabeça, mas se a natureza das ligações de hidrogênio mudar ligeiramente, isso pode causar a quebra da regra de formação de pares, levando à ligação de bases erradas e, portanto, a uma mutação. Embora previsto por Crick e Watson, só agora a modelagem computacional sofisticada conseguiu quantificar o processo com precisão.

A equipe, parte do programa de pesquisa da Surrey no empolgante novo campo da biologia quântica, mostrou que essa modificação nas ligações entre as fitas de DNA é muito mais prevalente do que se pensava até agora. Os prótons podem pular facilmente de seu local habitual em um lado de uma barreira de energia para pousar no outro lado. Se isso acontecer pouco antes de as duas fitas serem descompactadas na primeira etapa do processo de replicação, o erro pode passar pela maquinaria de replicação na célula, levando ao que é chamado de incompatibilidade de DNA e, potencialmente, a uma mutação.

Em um estudo publicado na revista Communications Physics, a equipe da Surrey baseada no Centro de Formação Doutoral em Biologia Quântica Leverhulme usou uma abordagem chamada sistemas quânticos abertos para determinar os mecanismos físicos que podem fazer com que os prótons saltem entre os filamentos de DNA. Mas, o mais intrigante, é graças a um mecanismo quântico conhecido, mas quase mágico, chamado tunelamento – semelhante a um fantasma passando por uma parede sólida – que eles conseguem atravessar.

Anteriormente se pensava que tal comportamento quântico não poderia ocorrer dentro do ambiente quente, úmido e complexo de uma célula viva. No entanto, o físico austríaco Erwin Schrödinger sugeriu em seu livro de 1944 “O que é Vida?” que a mecânica quântica pode desempenhar um papel nos sistemas vivos, uma vez que eles se comportam de maneira bastante diferente da matéria inanimada. Este último trabalho parece confirmar a teoria de Schrödinger.

Em seu estudo, os autores determinam que o ambiente celular local faz com que os prótons, que se comportam como ondas espalhadas, sejam termicamente ativados e estimulados através da barreira de energia. De fato, os prótons são encontrados continuamente e muito rapidamente tunelando para frente e para trás entre as duas fitas. Então, quando o DNA é clivado em suas fitas separadas, alguns dos prótons são capturados do lado errado, levando a um erro.

“Os prótons no DNA podem tunelar ao longo das ligações de hidrogênio no DNA e modificar as bases que codificam a informação genética. As bases modificadas são chamadas de ‘tautômeros’ e pode sobreviver aos processos de clivagem e replicação do DNA, causando ‘erros de transcrição’ ou mutações”, disse o Louie Slocombe, que realizou esses cálculos durante seu doutorado.

O trabalho de Slocombe no Centro de Treinamento Doutoral em Biologia Quântica Leverhulme de Surrey foi supervisionado por Jim Al-Khalili (Física, Surrey) e Marco Sacchi (Química, Surrey).

“Watson e Crick especularam sobre a existência e a importância dos efeitos da mecânica quântica no DNA há mais de 50 anos, no entanto, o mecanismo foi amplamente ignorado”, disse Al-Khalili.

“Os biólogos normalmente esperariam que o tunelamento desempenhasse um papel significativo apenas em baixas temperaturas e em sistemas relativamente simples. Portanto, eles tendiam a desconsiderar os efeitos quânticos no DNA. Com nosso estudo, acreditamos ter provado que essas suposições não se sustentam”, completou Sacchi