科学家首次发现量子力学如何导致基因突变播报文章
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2022-05-11 21:44
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近日，科学家表示量子力学可以解释基因突变的原因，并首次通过计算机建模，探究出量子力学如何导致基因突变。
图片来自Getty Images/iStockphoto脱氧核糖核酸(DNA)携带有合成核糖核酸(RNA)和蛋白质所必需的遗传信息，是生物体发育和正常运作必要的生物大分子。DNA能够以极高精度进行大量复制，但这一过程也可能出现错误，并导致基因突变。这一突变在给人类带来多种疾病的同时，也促进了丰富的生物世界。19世纪50年代，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克发现了DNA双螺旋结构，开启了分子生物学时代，将遗传研究深入到分子层次，“生命之谜”随之被解开，人们开始清楚了解遗传信息的构成与传递途径。
DNA双螺旋结构由两条链组成，这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构，如同螺旋式上升的楼梯，而这些楼梯的“台阶”正是氢键。DNA分子的两条链之间通过氢键结合，即通过一种称为质子（氢原子的原子核）的亚原子粒子所提供的粘合剂，将被称为碱基的分子连接在一起，以保持双螺旋结构的稳定。
DNA双螺旋结构与形成该结构的4种碱基形成稳定螺旋结构的碱基对中有4种不同碱基，分别为：腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)。双螺旋模型不仅表明了DNA分子结构，还提示了DNA复制的机制：由于腺嘌呤(A)总是与胸腺嘧啶(T)配对、鸟嘌呤(G)总是与胞嘧啶(C)配对，这说明两条链的碱基顺序是彼此互补的，只需确定其中一条链的碱基顺序，就可确定另一条链的碱基顺序。通常情况下，碱基遵循着严格的配对规则（A与T、C与G配对），但如果氢键的性质略有变化，就可能导致前述配对规则被打破。如果该过程发生在双链断开前，就会导致碱基配对错误，引发基因突变。虽然克里克和沃森此前做出过预测，但直到今天，通过复杂的计算建模，科学家才得以准确地量化这一过程。
此次，来自英国萨里大学勒沃休姆量子生物学博士培训中心(QB-DTC)的物理学家与化学家借助复杂的计算建模，表明前述基因突变（即DNA复制错误）可能是由于量子力学导致的。团队使用了一种开放量子系统（open quantum systems）方法，来确定可能导致质子在DNA双链之间跳跃的物理机制：基于量子物理学中的隧穿效应，质子才得以跳跃。相关成果发表在《自然》旗下期刊《通讯-物理》(Communications Physics)。
图片来自《通讯-物理》(Communications Physics)据了解，量子隧穿效应是指在某些特定条件下，微观粒子“穿越”原本无法逾越的势垒阻碍的现象。要理解隧穿，可以把势垒想象成一座山。一个自身能量小于山峰势能的微观粒子位于山的左侧，按照经典世界的常规经验，这个粒子绝对爬不到山的右侧。但过段时间再去观察粒子，可能会发现它“穿山而过”抵达了右侧，这种现象就是量子隧穿效应。隧穿效应也是现代电子学技术的基础之一，比如扫描隧道显微镜就是根据隧穿效应原理所制成。萨里研究小组表明，DNA双链之间氢键的变化比此前认为的要普遍得多，其发生概率约为万分之1.73。也就是说，质子可以相对轻易地跳跃到到双链的另一侧，即从能量壁垒一侧的位置跃迁到另一侧。如果这恰好发生在DNA复制过程的第一步，即两条链被断开之前，那么错误就会通过细胞内的复制机制，导致DNA错配，即一条链上的碱基与另一条链上相应的碱基不互补，甚至发生突变。
互变异构体(Tautomeric)发生概率，图片来自论文以往科学家认为，量子隧穿效应不太可能发生在活体生物细胞内温暖、潮湿和复杂的环境中。然而，奥地利物理学家欧文·薛定谔在1944年的著作《生命是什么?》(What Is Life?)中提到，由于活体生物的表现与无生命物质不一样，量子力学可以在生命系统中发挥作用。这项研究似乎证实了薛定谔的理论。前述团队确定，局部的细胞环境导致行为类似于波的质子被热激活，并穿过能量壁垒。他们发现质子是连续并且非常迅速地在两条链之间隧穿。之后，当DNA分裂成单独的链时，一些质子被捕获在错误的一侧。
鸟嘌呤-胞嘧啶碱基对之间质子转移反应示意图，图片来自论文“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。这些修改过的碱基被称为‘互变异构体’，可以在DNA裂解和复制过程中存活，导致‘转录错误’或突变。”英国萨里大学Louie Slocombe在博士学位期间进行了前述计算，并由萨里大学物理系教授Jim Al-Khalili和化学系博士Marco Sacchi指导。Al-Khalil对此评价：“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以及重要性，然而这种量子力学效应在很大程度上被忽视了。”
“生物学家通常认为，只有在低温和相对简单的系统中，隧穿效应才能发挥重要作用。因此，他们倾向于低估DNA中的量子效应。通过我们的研究，我们相信已经证明了这些假设并不成立。”Sacchi博士说道。
前述研究成果表明了量子隧穿在基因突变中的重要性，以及质子的转移在DNA突变中具有更加重要的作用，未来可能对目前的基因突变模型产生深远影响。
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近日，科学家表示量子力学可以解释基因突变的原因，并首次通过计算机建模，探究出量子力学如何导致基因突变。
图片来自Getty Images/iStockphoto脱氧核糖核酸(DNA)携带有合成核糖核酸(RNA)和蛋白质所必需的遗传信息，是生物体发育和正常运作必要的生物大分子。DNA能够以极高精度进行大量复制，但这一过程也可能出现错误，并导致基因突变。这一突变在给人类带来多种疾病的同时，也促进了丰富的生物世界。19世纪50年代，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克发现了DNA双螺旋结构，开启了分子生物学时代，将遗传研究深入到分子层次，“生命之谜”随之被解开，人们开始清楚了解遗传信息的构成与传递途径。
DNA双螺旋结构由两条链组成，这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构，如同螺旋式上升的楼梯，而这些楼梯的“台阶”正是氢键。DNA分子的两条链之间通过氢键结合，即通过一种称为质子（氢原子的原子核）的亚原子粒子所提供的粘合剂，将被称为碱基的分子连接在一起，以保持双螺旋结构的稳定。
DNA双螺旋结构与形成该结构的4种碱基形成稳定螺旋结构的碱基对中有4种不同碱基，分别为：腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)。双螺旋模型不仅表明了DNA分子结构，还提示了DNA复制的机制：由于腺嘌呤(A)总是与胸腺嘧啶(T)配对、鸟嘌呤(G)总是与胞嘧啶(C)配对，这说明两条链的碱基顺序是彼此互补的，只需确定其中一条链的碱基顺序，就可确定另一条链的碱基顺序。通常情况下，碱基遵循着严格的配对规则（A与T、C与G配对），但如果氢键的性质略有变化，就可能导致前述配对规则被打破。如果该过程发生在双链断开前，就会导致碱基配对错误，引发基因突变。虽然克里克和沃森此前做出过预测，但直到今天，通过复杂的计算建模，科学家才得以准确地量化这一过程。
此次，来自英国萨里大学勒沃休姆量子生物学博士培训中心(QB-DTC)的物理学家与化学家借助复杂的计算建模，表明前述基因突变（即DNA复制错误）可能是由于量子力学导致的。团队使用了一种开放量子系统（open quantum systems）方法，来确定可能导致质子在DNA双链之间跳跃的物理机制：基于量子物理学中的隧穿效应，质子才得以跳跃。相关成果发表在《自然》旗下期刊《通讯-物理》(Communications Physics)。
图片来自《通讯-物理》(Communications Physics)据了解，量子隧穿效应是指在某些特定条件下，微观粒子“穿越”原本无法逾越的势垒阻碍的现象。要理解隧穿，可以把势垒想象成一座山。一个自身能量小于山峰势能的微观粒子位于山的左侧，按照经典世界的常规经验，这个粒子绝对爬不到山的右侧。但过段时间再去观察粒子，可能会发现它“穿山而过”抵达了右侧，这种现象就是量子隧穿效应。隧穿效应也是现代电子学技术的基础之一，比如扫描隧道显微镜就是根据隧穿效应原理所制成。萨里研究小组表明，DNA双链之间氢键的变化比此前认为的要普遍得多，其发生概率约为万分之1.73。也就是说，质子可以相对轻易地跳跃到到双链的另一侧，即从能量壁垒一侧的位置跃迁到另一侧。如果这恰好发生在DNA复制过程的第一步，即两条链被断开之前，那么错误就会通过细胞内的复制机制，导致DNA错配，即一条链上的碱基与另一条链上相应的碱基不互补，甚至发生突变。
互变异构体(Tautomeric)发生概率，图片来自论文以往科学家认为，量子隧穿效应不太可能发生在活体生物细胞内温暖、潮湿和复杂的环境中。然而，奥地利物理学家欧文·薛定谔在1944年的著作《生命是什么?》(What Is Life?)中提到，由于活体生物的表现与无生命物质不一样，量子力学可以在生命系统中发挥作用。这项研究似乎证实了薛定谔的理论。前述团队确定，局部的细胞环境导致行为类似于波的质子被热激活，并穿过能量壁垒。他们发现质子是连续并且非常迅速地在两条链之间隧穿。之后，当DNA分裂成单独的链时，一些质子被捕获在错误的一侧。
鸟嘌呤-胞嘧啶碱基对之间质子转移反应示意图，图片来自论文“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。这些修改过的碱基被称为‘互变异构体’，可以在DNA裂解和复制过程中存活，导致‘转录错误’或突变。”英国萨里大学Louie Slocombe在博士学位期间进行了前述计算，并由萨里大学物理系教授Jim Al-Khalili和化学系博士Marco Sacchi指导。Al-Khalil对此评价：“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以及重要性，然而这种量子力学效应在很大程度上被忽视了。”
“生物学家通常认为，只有在低温和相对简单的系统中，隧穿效应才能发挥重要作用。因此，他们倾向于低估DNA中的量子效应。通过我们的研究，我们相信已经证明了这些假设并不成立。”Sacchi博士说道。
前述研究成果表明了量子隧穿在基因突变中的重要性，以及质子的转移在DNA突变中具有更加重要的作用，未来可能对目前的基因突变模型产生深远影响。
【家门口当起志愿者 送菜小分队送菜忙】#长春加油##同心抗疫##和谐宽城#
“致敬医生，致敬社区干部，你们辛苦了！我们是本小区的居民，愿意站出来，协助社区为小区居民服务，有事你说话 ……”3月30日，宽城区团山街道龙山社区恒大江湾城小区的居民向社区党委书记张莉敏报告，他们组成了一支上百人的志愿者队伍，可以立足本小区为居民服务。
据介绍，恒大江湾城小区目前实行封控管理，保障1800户居民的生活成了一个不小的问题，正当社区干部为人手不足犯难的时候，小区居民在小区群里自发接龙报名做志愿者，很快就有上百人报名参加。社区根据目前的任务，首批选择11人成立送菜小分队，协助社区把蔬菜包送给订货的居民。
张莉敏说，当天居民们通过“线上”订购了一批蔬菜、水果，当一包包蔬菜、水果运送到小区门口，由张鹏旭、牛云龙、张智乔、王景鹏、于波、王洋、陶楠、崔洪菊、卢美希、张争一、包浩然组成的送菜小分队马上行动起来，穿好防护服，将这些蔬菜包挨家挨户送到订货的居民家中。在这些居民志愿者中，身高1.8米的王洋特别引人注目，王洋又高又壮，防护服紧紧地束在他身上，但这并没有影响他干活的劲头，他说：“邻里一家亲，我们就住在小区里，在家门口做志愿者很方便，为大家做点事应该的，看社区工作人员那么辛苦忙碌，我们跑跑腿，也能为他们分担一些压力。我会一直坚持下去，直到解封的那一天。”据了解，每天王洋和伙伴们要送100多份的生活用品上楼。
“这些居民志愿者太让我感动了，在社区工作人员人手最紧张的时候，他们给了我们最大的支持。”张莉敏感谢地说。
“致敬医生，致敬社区干部，你们辛苦了！我们是本小区的居民，愿意站出来，协助社区为小区居民服务，有事你说话 ……”3月30日，宽城区团山街道龙山社区恒大江湾城小区的居民向社区党委书记张莉敏报告，他们组成了一支上百人的志愿者队伍，可以立足本小区为居民服务。
据介绍，恒大江湾城小区目前实行封控管理，保障1800户居民的生活成了一个不小的问题，正当社区干部为人手不足犯难的时候，小区居民在小区群里自发接龙报名做志愿者，很快就有上百人报名参加。社区根据目前的任务，首批选择11人成立送菜小分队，协助社区把蔬菜包送给订货的居民。
张莉敏说，当天居民们通过“线上”订购了一批蔬菜、水果，当一包包蔬菜、水果运送到小区门口，由张鹏旭、牛云龙、张智乔、王景鹏、于波、王洋、陶楠、崔洪菊、卢美希、张争一、包浩然组成的送菜小分队马上行动起来，穿好防护服，将这些蔬菜包挨家挨户送到订货的居民家中。在这些居民志愿者中，身高1.8米的王洋特别引人注目，王洋又高又壮，防护服紧紧地束在他身上，但这并没有影响他干活的劲头，他说：“邻里一家亲，我们就住在小区里，在家门口做志愿者很方便，为大家做点事应该的，看社区工作人员那么辛苦忙碌，我们跑跑腿，也能为他们分担一些压力。我会一直坚持下去，直到解封的那一天。”据了解，每天王洋和伙伴们要送100多份的生活用品上楼。
“这些居民志愿者太让我感动了，在社区工作人员人手最紧张的时候，他们给了我们最大的支持。”张莉敏感谢地说。
【洼里镇流动核酸采样小分队便民暖心】“真的感谢党啊，为我一个人也专门跑一趟。”说话的人是洼里镇一企业门卫，受疫情影响只剩他一人看守企业。
连日来，开平区洼里镇流动核酸采样小分队每天为辖区内企业、沿街商户进行上门核酸采样，保证辖区内全员核酸检测不落一人。
“对面加油站还差两个人没来。”“大白”于波一边给排队做核酸检测人员扫码一边说。话音未落，小分队负责人杨杰已经跑过马路去喊人。
杨杰是洼里镇副镇长，也是洼里镇流动核酸检测小分队的负责人，据他介绍，每天他们要为500多名企业及沿街商户做核酸检测，虽然人数不多，但却要跑12个临时检测点，哪怕那里只有一个人，也要驱车前往。十来天下来，他们已经能熟悉掌握每个临时检测点上有多少人、都是谁。
“我们上门为企业留守员工做核酸检测，一是为了服务好企业，确保全员核酸检测全覆盖，另外就是能随时了解企业及沿街商户有没有困难，顺便帮助企业和周边商户跑跑腿，订购蔬菜、药品，帮他们解决点燃眉之急。”杨杰一边维持现场秩序一边说。
流动检测车上只有“大白”高春燕、于波和杨杰三个人，给最后那两个人采完样后，杨杰又发动了车，他们要前往下一个临时检测点，在车上，他一再嘱咐“大白”们提醒他，要把玖龙驾校那几个西部地区少数民族学员的清真食品带过去，他们昨天晚上都没吃东西。（何川）
连日来，开平区洼里镇流动核酸采样小分队每天为辖区内企业、沿街商户进行上门核酸采样，保证辖区内全员核酸检测不落一人。
“对面加油站还差两个人没来。”“大白”于波一边给排队做核酸检测人员扫码一边说。话音未落，小分队负责人杨杰已经跑过马路去喊人。
杨杰是洼里镇副镇长，也是洼里镇流动核酸检测小分队的负责人，据他介绍，每天他们要为500多名企业及沿街商户做核酸检测，虽然人数不多，但却要跑12个临时检测点，哪怕那里只有一个人，也要驱车前往。十来天下来，他们已经能熟悉掌握每个临时检测点上有多少人、都是谁。
“我们上门为企业留守员工做核酸检测，一是为了服务好企业，确保全员核酸检测全覆盖，另外就是能随时了解企业及沿街商户有没有困难，顺便帮助企业和周边商户跑跑腿，订购蔬菜、药品，帮他们解决点燃眉之急。”杨杰一边维持现场秩序一边说。
流动检测车上只有“大白”高春燕、于波和杨杰三个人，给最后那两个人采完样后，杨杰又发动了车，他们要前往下一个临时检测点，在车上，他一再嘱咐“大白”们提醒他，要把玖龙驾校那几个西部地区少数民族学员的清真食品带过去，他们昨天晚上都没吃东西。（何川）
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