Bij quantumprocessen denk je waarschijnlijk aan technisch hoogstaande proefopstellingen die tot extreem lage temperaturen afgekoeld worden. Maar ook in de warme, natte en rommelige omgeving van een levende cel zouden quantumprocessen een rol kunnen spelen. Nieuw quantumbiologieonderzoek toont bijvoorbeeld dat tunnelende atomen DNA-mutaties kunnen veroorzaken.
Het vakgebied quantumbiologie gaat over de vraag of en hoe quantumeffecten een rol kunnen spelen in biologische processen. Zo lijken moleculen die quantumverstrengeld zijn sommige dieren en planten in staat te stellen het aardmagnetisch veld te ‘voelen’. Er zijn bijvoorbeeld vogels die op die manier hun weg vinden.
Tunnelende waterstofatomen
In de nieuwe publicatie keken onderzoekers naar het quantumtunnelen van waterstofkernen oftewel protonen. Hierbij verdwijnt een proton spontaan van de ene plek en verschijnt het op een andere, nabijgelegen plek, zonder het pad ertussen af te leggen.
Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’
Dylan van Arneman verruilt een paar keer per jaar zijn werkkamer op het Science Park in de Watergraafsmeer voor de ondergrond ...
Dit quantumgedrag kan een rol spelen in DNA. Een DNA-molecuul bestaat uit twee strengen, vervlochten in de vorm van een dubbele helix. Tussen de strengen zitten dwarsverbindingen die bestaan uit twee basen die onderling verbonden zijn door waterstofatomen. Het waterstofatoom van de ene base trekt de andere base naar zich toe en omgekeerd. Zo ontstaat er een stevige verbinding die de dubbele helix in stand houdt.
Door te tunnelen kan zo’n waterstofatoom plots van de ene base overspringen naar de tegenoverliggende base aan de andere streng. Die verhuizing is meestal maar van korte duur. In een fractie van een seconde springt het atoom terug naar zijn oorspronkelijke plek.
DNA-mutaties
Toch kan dit quantumsprongetje soms leiden tot een DNA-mutatie. Dat hebben onderzoekers van de Universiteit van Surrey in het Verenigd Koninkrijk aangetoond met quantumchemieberekeningen en computersimulaties. ‘We hebben gekeken of het waterstofatoom lang genoeg aan de overkant kan blijven zitten om de DNA-replicatiestap te overleven’, zegt promovendus Louie Slocombe. In de replicatiestap wordt de DNA-keten verdubbeld door de strengen van elkaar los te maken en van elke losse streng weer een nieuw DNA-molecuul te maken.
‘Als het waterstofatoom tijdens de replicatie aan de verkeerde streng zit, ontstaat er tijdens het kopiëren een ‘foutje’, een mutatie, op die plek’, zegt Slocombe. Uit de berekeningen en simulaties bleek dat het tunnelen van protonen net lang genoeg kan duren om de replicatiestap te overleven. Maar doordat het waterstofatoom maar een fractie van een seconde aan de verkeerde kant blijft zitten, lukt dit alleen als de quantumsprong vlak voor de replicatie plaatsvindt.
Klassieke atoomsprong
Het tunnelen van protonen is niet de enige manier waarop een waterstofatoom de sprong naar de andere DNA-streng kan wagen. Er is ook een ‘klassieke’ manier. ‘In het klassieke geval heeft het atoom toevallig, door thermische trillingen, zo veel energie dat het naar de overkant springt’, zegt Slocombe. ‘We keken vervolgens of het overspringen vooral klassiek of vooral quantummechanisch gebeurt.’
Quantumsprongen bleken een grote rol te spelen. Het lijkt dus waarschijnlijk dat mutaties door een overgesprongen waterstofatoom niet enkel een klassiek verschijnsel zijn.
‘Helemaal zeker zijn we niet. Daarvoor moeten we het quantumeffect in DNA experimenteel aantonen en dat is erg lastig’, vertelt Slocombe. ‘Iemand uit de onderzoeksgroep waar ik werk, is hiermee bezig. Hij probeert bijvoorbeeld de waterstofatomen te vervangen door zwaardere waterstofisotopen, genaamd deuterium. Dat zou ervoor moeten zorgen dat er minder atomen overspringen en dus minder mutaties ontstaan.’
Maar dit is een lastig experiment, legt Slocombe uit. Sowieso is het moeilijk uit te voeren. Bovendien kan de aanwezigheid van deuterium ook andere, onbekende effecten hebben die nu nog onderzocht worden. ‘Ik zou niet in de schoenen van mijn collega willen staan.’
Genetische mutaties zijn de drijvende kracht achter evolutie. Kan het tunnelen van protonen een rol gespeeld hebben in de evolutie van leven op aarde? Slocombe: ‘Dat kunnen we met de huidige kennis hierover nog niet zeggen.’