हाल ही में हुए एक अध्ययन से पता चलता है कि क्वांटम यांत्रिकी, जो किशोर-छोटे लोगों की दुनिया पर राज करती है, यह समझाने में मदद कर सकती है कि आनुवांशिक उत्परिवर्तन डीएनए में अनायास क्यों उगते हैं।
क्वांटम मैकेनिक्स उन अजीब नियमों का वर्णन करता है जो शासन करते हैं परमाणुओं और उनके उप-परमाणु घटक। जब शास्त्रीय के नियम भौतिक विज्ञान, जो बड़ी दुनिया का वर्णन करते हैं, टूट जाते हैं, क्वांटम समझाने के लिए आता है। डीएनए के मामले में, शास्त्रीय भौतिकी इस बात के लिए एक स्पष्टीकरण प्रस्तुत करती है कि डीएनए के सर्पिलिंग सीढ़ी के एक ही पायदान में अचानक परिवर्तन क्यों दिखाई दे सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप क्या कहा जाता है प्वाइंट म्यूटेशन।
एक हालिया अध्ययन में, पत्रिका में 29 जनवरी को प्रकाशित भौतिक रसायन विज्ञान रासायनिक भौतिकी, शोधकर्ताओं ने एक और स्पष्टीकरण का पता लगाया, जिसमें दिखाया गया है कि प्रोटॉन टनलिंग नामक एक क्वांटम घटना सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए प्रोटॉन को अनुमति देकर बिंदु उत्परिवर्तन पैदा कर सकती है डीएनए जगह-जगह से छलांग लगाना। यह, बदले में, सूक्ष्म रूप से बदल सकता है हाइड्रोजन वे पुर्जे जो डीएनए के दोहरे हेलिक्स के दोनों किनारों को बांधते हैं, जो डीएनए की खुद की प्रतियां बनाने के लिए समय होने पर त्रुटियों का कारण बन सकते हैं।
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विशेष रूप से, यह सूक्ष्म परिवर्तन संभावित रूप से डीएनए अनुक्रम में गलतफहमी पैदा कर सकता है, जहां गलत “अक्षर” को एक साथ जोड़ा जाता है जैसा कि स्ट्रैंड दोहराता है, अध्ययन लेखक नोट करते हैं। आधार के रूप में जाना जाने वाला ये पत्र, आमतौर पर एक निश्चित तरीके से जोड़ा जाता है: ए से टी और जी से सी। लेकिन प्रोटॉन टनलिंग कुछ ठिकानों को मिक्स-एंड-मैच का कारण बन सकता है।
“हाइड्रोजन बॉन्डिंग को देखते हुए काफी कम्प्यूटेशनल काम किया गया है [and] डीएनए बेस जोड़े में प्रोटॉन ट्रांसफर, “मैनचेस्टर विश्वविद्यालय में कम्प्यूटेशनल और सैद्धांतिक रसायन विज्ञान के प्रोफेसर सैम हे ने कहा, जो अध्ययन में शामिल नहीं थे।” यह पेपर इस घटना को फिर से जांचने के लिए काफी उच्च-स्तरीय गणनाओं का उपयोग करता है, “उन्होंने कहा। ईमेल में लाइव साइंस।
हालांकि, इस्तेमाल की गई गणनाओं के कारण, लेखक एकल आधार और बेस जोड़े के स्तर पर, डीएनए स्ट्रैंड के केवल छोटे हिस्से को ही मॉडल कर सकते हैं। इसका मतलब है कि मॉडल में डीएनए के दो पक्ष डबल-हेलिक्स शामिल नहीं हैं, न ही जोड़े स्ट्रैंड में कहीं और स्थित हैं, हे ने नोट किया। इन आस-पास की संरचनाओं का “महत्वपूर्ण प्रभाव” हो सकता है कि प्रोटॉन टनलिंग कैसे प्रकट होती है, लेकिन मॉडल के लिए पूरे डीएनए स्ट्रैंड को भारी मात्रा में कम्प्यूटेशनल शक्ति की आवश्यकता होगी, उन्होंने कहा।
उन्होंने कहा, “जब तक यह पता लगाया जा सकता है, तब तक हमें कंप्यूटिंग पावर या कार्यप्रणाली में सुधार करने तक इंतजार करना पड़ सकता है।”
शास्त्रीय बनाम क्वांटम
अब, शास्त्रीय भौतिकी भी इस बात का स्पष्टीकरण प्रदान करती है कि प्रोटॉन डीएनए में क्यों घूमते हैं।
डीएनए बेस जोड़े बीच में जुड़ जाते हैं हाइड्रोजन बांड – अड्डों में हाइड्रोजन परमाणुओं और अणुओं के बीच अपेक्षाकृत कमजोर आकर्षण। इन बंधनों को ताप से तोड़ा जा सकता है, क्योंकि जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, अणु सख्ती से कंपन और झटके लगाते हैं, जिससे हाइड्रोजन परमाणु जगह से बाहर निकल जाते हैं।
इंग्लैंड में सरे के लीवरहल्मे क्वांटम बायोलॉजी डॉक्टरेट ट्रेनिंग सेंटर में डॉक्टरेट के छात्र सह-लेखक लुइ स्लोकॉम्बे ने कहा, “आप पूरे पर्यावरण के बारे में सोच सकते हैं, कंपन कर सकते हैं … सब कुछ गतिशील और गतिशील है।” परमाणु निरपेक्ष शून्य से ऊपर किसी भी तापमान पर टकराते हैं, क्योंकि ऊष्मा उनकी चाल को बढ़ाती है गतिज ऊर्जा, या गति, उन्होंने कहा।
शास्त्रीय के अनुसार ऊष्मप्रवैगिकी, यह जॉगिंग कभी-कभी हाइड्रोजन परमाणुओं को डीएनए में नए पदों पर कूदने की अनुमति देता है, संक्षेप में नए बांड। लेकिन परमाणु जल्द ही अपने मूल स्थानों पर वापस आ जाते हैं; डीएनए आधारों की आणविक संरचना के कारण, हाइड्रोजन परमाणु जोड़े के बीच कुछ हद तक “स्थिर” स्थिति में बस जाते हैं, जहां वे अपना अधिकांश समय बिताते हैं, और केवल कुछ समय के लिए असामान्य, “अस्थिर” स्थिति से बच जाते हैं।
हाइड्रोजन परमाणुओं में केवल एक प्रोटॉन, एक नकारात्मक चार्ज इलेक्ट्रॉन और कोई न्यूट्रॉन नहीं होते हैं; डीएनए के निर्माण के दौरान, ये परमाणु एक बंधन बनाते समय युग्म में एक आधार पर अपने इलेक्ट्रॉन को “खो” देते हैं। इसलिए वास्तव में, जब हाइड्रोजन परमाणु डीएनए के एक तरफ से दूसरे छोर तक छलांग लगाते हैं, तो वे एक प्रोटॉन के रूप में चले जाते हैं, इसलिए वैज्ञानिक घटना को “प्रोटॉन ट्रांसफर” के रूप में संदर्भित करते हैं, जो कि 2014 की पत्रिका की रिपोर्ट के अनुसार है। रासायनिक अनुसंधान के लेखा।
लेकिन नए अध्ययन के अनुसार, शास्त्रीय प्रोटॉन स्थानांतरण उन सभी उदाहरणों के लिए जिम्मेदार नहीं है जो प्रोटॉन डीएनए में चारों ओर उछलते हैं।
“अनिवार्य रूप से, जो हम पाते हैं वह यह है कि इस की राशि [happening] उन्होंने कहा कि जब हम क्वांटम दरों के लिए संख्या चलाते हैं, तो इसकी तुलना में सिर्फ शास्त्रीय ऊष्मप्रवैगिकी बहुत कम होती है। “
बाधा कूदना
प्रोटॉन टनलिंग अनिश्चितता के क्वांटम सिद्धांत पर निर्भर करता है, जो बड़ी दुनिया पर लागू नहीं होता है। उदाहरण के लिए, बड़ी चीजों की दुनिया में, कोई भी ट्रेन के स्थान और उसकी यात्रा करने की गति दोनों के बारे में निश्चित हो सकता है, और उस जानकारी का उपयोग करके, कोई अनुमान लगा सकता है कि ट्रेन अगले स्टेशन पर कब पहुंचनी चाहिए।
हालांकि, जब यह उप-परमाणु कणों की बात आती है, तो उनके सटीक स्थान और गति की गणना एक ही समय में नहीं की जा सकती; वैज्ञानिक इस बात की केवल एक धुंधली तस्वीर को पकड़ सकते हैं कि एक कण क्या है, इस संभावना की गणना करके कि यह एक निश्चित स्थान पर दिखाई दे सकता है, किसी विशेष दर पर यात्रा कर सकता है। प्रोटॉन टनलिंग के संदर्भ में, वैज्ञानिक एक प्रोटॉन के एक स्थिति या किसी अन्य में होने की संभावना की गणना कर सकते हैं – और सैद्धांतिक रूप से कि प्रोटॉन की ब्रह्मांड में कहीं भी होने की संभावना नहीं है।
इसका मतलब यह है कि कण उन बाधाओं से गुजर सकते हैं जो उन्हें प्रतीत नहीं होने चाहिए, कभी-कभी उन्हें दीवारों के माध्यम से छलांग भी दे सकते हैं, लाइव साइंस ने पहले बताया।
डीएनए में कब और कहां प्रोटॉन ट्रांसफर हो सकता है, इसका अनुमान लगाने के लिए, टीम ने कणों के लिए आवश्यक ऊर्जा की मात्रा का निर्धारण उनके “स्थिर” पदों से और “अस्थिर” स्थितियों में किया। इस सीमा को “ऊर्जा अवरोधक” के रूप में जाना जाता है, और स्थिर अवस्था में वापस उछालने के लिए आवश्यक ऊर्जा “रिवर्स बाधा” है।
टीम ने पाया कि गर्मी से प्रेरित शास्त्रीय प्रोटॉन हस्तांतरण के लिए ऊर्जा अवरोध, प्रोटॉन सुरंग के लिए तुलना में काफी अधिक है। स्लोकॉम ने कहा कि प्रोटो टनलिंग की अनुमानित दर शास्त्रीय हस्तांतरण से अधिक है, जो टनलिंग को ध्यान में रखते हुए, विपरीत डीएनए बेस के लिए एक प्रोटॉन को छलांग लगाने की संभावना “बहुत, शून्य के करीब” होगी।
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“लेखकों की गणना की सीमाओं के भीतर, ऐसा लगता है कि सुरंगिंग एक मामूली भूमिका निभाता है [to] एक जोड़ी में ठिकानों के बीच प्रोटॉन ट्रांसफर के दौरान काफी बड़ी भूमिका “है, ने लाइव साइंस को बताया।
टीम ने यह भी पाया कि ए-टी जोड़े के बीच प्रोटॉन टनलिंग के लिए रिवर्स बाधा जी-सी जोड़े की तुलना में बहुत कम थी। इसका मतलब यह है कि, इस घटना में कि एक प्रोटॉन एक जोड़ी के ए से लेकर टी साइड तक फैला हुआ है, उदाहरण के लिए, “यह बस तुरंत वापस रोल करेगा,” स्लोकॉम्बे ने कहा; रिवर्स बैरियर इतना कम है कि प्रोटॉन आसानी से अपनी स्थिर स्थिति में वापस आ जाएगा।
“जबकि जी-सी के लिए, इसमें इसके बजाय बड़े रिवर्स बैरियर हैं, जिसका अर्थ है कि राज्य समय के एक महत्वपूर्ण हिस्से के लिए कुछ हद तक स्थिर है,” स्लोकॉम्ब ने कहा। एक बार एक प्रोटॉन ने G-C जोड़ी के ऊर्जा अवरोध को रोक दिया, तो वह कुछ समय के लिए अपनी अस्थिर स्थिति में रह सकता है। अगर यह डीएनए प्रतिकृति शुरू होने से ठीक पहले होता है, तो प्रोटॉन स्ट्रैंड के “गलत पक्ष” पर फंस सकता है, स्लोकॉम्बे ने कहा।
ऐसा इसलिए है, क्योंकि खुद को कॉपी करने के लिए, डीएनए पहले आधारों के बीच के बंधन को तोड़ता है। पोलीमरेज़ नामक एक एंजाइम तब झपट्टा मारता है और पहेली के टुकड़ों की तरह नए ठिकानों में फिटिंग करना शुरू कर देता है। समस्या यह है कि जब पोलीमरेज़ एक अस्थिर स्थिति में एक प्रोटॉन का सामना करता है, तो यह संलग्न आधार के लिए गलत पहेली के टुकड़े का चयन कर सकता है। उदाहरण के लिए, एक प्रोटॉन एक छ के लिए छलांग लगा सकता है, और जब पोलीमरेज़ आता है, तो एंजाइम एक सी के बजाय एक टी संलग्न करता है और त्रुटि को पकड़ नहीं पाता है।
मिलियन डॉलर का सवाल
डीएनए प्रतिकृति में इस तरह की त्रुटि पहली बार जीवविज्ञानी द्वारा देखी गई थी जेम्स वाटसन और भौतिक विज्ञानी फ्रांसिस क्रिक, जिन्होंने पाठ्यपुस्तक के अनुसार, डीएनए के शुरुआती अध्ययन किए, “आनुवंशिक विश्लेषण का एक परिचय“(डब्ल्यूएच फ्रीमैन, 2000)। नया अध्ययन इस मामले को प्रोटॉन टनलिंग बनाता है – जो थर्मोडायनामिक्स से अधिक है – इन उत्परिवर्तन के लिए जिम्मेदार हो सकता है।
तो, “विभाजन प्रक्रिया से ठीक पहले, आपके पास तब भेद्यता का क्षण होता है, जहां यह क्वांटम प्रभाव, जो सामान्य रूप से बिल्कुल भी मायने नहीं रखता है, अब गैर-तुच्छ है,” स्लोकॉम्ब ने कहा।
बिंदु म्यूटेशन जो इन त्रुटियों के परिणामस्वरूप हो सकते हैं, असंगत हो सकते हैं, जिससे कोशिकाओं के कार्य या प्रोटीन के निर्माण में कोई बदलाव नहीं होगा; लेकिन वे विनाशकारी भी हो सकते हैं, जैसे रोगों में योगदान दरांती कोशिका अरक्तता और कैंसर के कुछ प्रकार, जैसे कि फेफड़ों की छोटी कोशिकाओं में कोई कैंसर नहींशोधकर्ताओं ने कहा। कुछ परिदृश्यों में, पॉइंट म्यूटेशन भी फायदेमंद हो सकता है।
फिर भी, वैज्ञानिकों को अभी भी नहीं पता है कि वास्तव में होने वाले इस तरह के एक बिंदु उत्परिवर्तन के लिए एक प्रोटॉन को अपनी अस्थिर स्थिति में रहने की आवश्यकता कब तक होगी। और फिर से, नए अध्ययन ने डीएनए स्ट्रैंड के केवल एक छोटे हिस्से को मॉडल किया, और पूरे सिस्टम को यह समझने के लिए मॉडल किया जाना चाहिए कि प्रोटॉन टनलिंग कितनी बार होता है, उन्होंने कहा।
स्लोकोम्बे और उनके सहयोगी अब बेस जोड़े के आसपास के बड़े वातावरण को मॉडल बनाने के लिए काम कर रहे हैं; इस तरह, वे यह पता लगाना शुरू कर सकते हैं कि कैसे क्वांटम और शास्त्रीय भौतिकी दोनों डीएनए के साथ कुश्ती करते हैं और विभिन्न तंत्रों के माध्यम से प्रोटॉन-जंपिंग करते हैं। अनुसंधान की इस पंक्ति को यह प्रकट करने में मदद करनी चाहिए कि किन स्थितियों में प्रोटॉन स्थानांतरण होने की अधिक संभावना है और कितनी बार घटना हानिकारक आनुवंशिक उत्परिवर्तन को ट्रिगर करती है।
“यह मिलियन डॉलर का सवाल है,” स्लोकोम्बे ने कहा।
मूल रूप से लाइव साइंस पर प्रकाशित।
