BiyolojiFizikTıp

Kuantum Fiziği, DNA’nın Niçin Kendiliğinden Değişinimler Geçirdiğini Açıklayabilir

Yazan: Nicoletta Lanese

Çeviren: Çisem Özge Biçer

Düzenleyen: Ümit Sözbilir

Özet: Yapılan son çalışma, çok küçük parçacıkların dünyasında geçerli olan düzenin yani kuantum mekaniğinin, DNA molekülünün kendisini eşlerken niçin kendiliğinden kalıtsal değişinimler (mutasyon) geçirdiğini açıklamaya yardımcı olabileceğini öne sürüyor.

Kuantum mekaniği, atomların ve atomaltı parçacıkların tabi olduğu garip kuralları tanımlar. Görece büyük dünyayı tanımlayan klasik fizik kuralları kimi durumları açıklamak adına yetersiz kaldığında devreye kuantum fiziği girer. Söz konusu DNA olduğunda klasik fizik, DNA sarmalının merdiveni andıran yapısının bir basamağında meydana gelen ve “nokta değişinimi” adıyla anılan değişiklikler adına bir açıklama sunar.

Araştırmacılar, 29 Ocak’ta Physical Chemistry Chemical Physics dergisinde yayımlanan çalışmalarında bir başka açıklamayı, DNA’daki pozitif yüklü protonların bir yerden bir yere sıçrayışını ifade eden ve nokta değişinimlerine neden olabilen “proton tünelleme” adlı bir kuantum olayını irdelediler. Proton tünelleme, DNA’nın çift sarmal yapısının her iki tarafını birbirine bağlayan hidrojen bağlarında algılanması oldukça güç bir değişim yaratabilir ve DNA molekülünün kendisini eşlerken kimi zaman hataların doğmasına yol açabilir.

İki protonun (beyaz), DNA’daki baz çiftlerinden olan guanin (solda) ve sitozin (sağda) nükleobazları arasında sıçrayışı. (Kaynak: Louie Slocombe, Leverhulme Kuantum Biyolojisi Doktora Eğitim Merkezi )

Çalışmanın yazarları, bu güç algılanan değişimlerin DNA dizisinde zincir eşlenirken yanlış “harflerin” eşleşmesi sonucu meydana gelen hatalara neden olabileceğini bilhassa belirtiyorlar. “Baz” olarak bilinen bu harfler genellikle, A (adenin) ile T (timin) ve G (guanin) ile C (sitozin) eşleşmesi olacak şekilde belirli bir düzene uyarak eşleşiyor olsalar da proton tünelleme olayından ötürü kimi zaman bu bazlar karışıp eşleşebilir.

Bu yazıda sözü edilen çalışma ile ilişkisi olmasa da Live Science internet sayfasına gönderdiği e-posta aracılığıyla görüşlerini bildiren Manchester Üniversitesinden Sayısal ve Kuramsal Kimya Profesörü Sam Hay, “DNA baz çiftleri arasındaki hidrojen bağlarına [ve] proton iletimine bakılarak birçok sayısal çalışma yapıldı. Bu makalede, oldukça yüksek düzey hesaplamalar kullanılarak değişinim olayı yeniden değerlendirildi.” diyor.

Araştırmacılar, hesaplamalar kullanarak DNA zincirinin tekli bazlar ve baz çiftleri düzeyinde olacak şekilde yalnızca küçük bir bölümünü modelleyebildiler. Sam Hay; bu düzeyde bir modellemenin, DNA molekülünün ikili sarmal yapısının her iki yanını birden ihtiva etmediğini ve baz çiftlerinin zincirin neresinde olduğunun tayin edilebilmesi için uygun olmadığını belirtti. Sam Hay, “Bu modellerin, DNA molekülünde proton tünelleme olayının nasıl vuku bulduğunun ortaya çıkarılması adına ‘kayda değer etkileri’ bulunuyor olabilir. Bunun yanı sıra bütün bir DNA zincirinin modellenmesi için muazzam nicelikte hesaplama yeteneği gerekir.” diyor. “Hesaplama yeteneğimiz veya çalışma yöntemlerimiz daha da iyileşene dek beklememiz gerekebilir.” diye ekliyor.

Klasik Fizik Kuantum Fiziğine Karşı

Mevcut durumda tıpkı kuantum fiziği gibi klasik fizik de DNA molekülündeki protonların sıçrayışının anlaşılması adına bir açıklama sunuyor.

DNA baz çiftlerinin arasında, bazların ihtiva ettiği hidrojen atomlarının ve moleküllerinin etkileşimleri sonucu var olan görece zayıf “hidrojen bağları” oluşur ve baz çiftleri bu bağlar aracılığıyla birleşir. Bu bağlar sıcaklığın etkisiyle kırılabilir çünkü sıcaklık arttıkça moleküller etkin bir şekilde titreşir ve salınır ki bu da hidrojen atomlarının bulundukları yerden fırlamasına neden olur.

İngiltere’deki Surrey’s Leverhulme Kuantum Biyolojisi Doktora Eğitim Merkezi Üniversitesinde doktora öğrencisi ve çalışmanın ortak yazarı olan Louie Slocombe, “Çevredeki her şeyin titreşim ve salınım yaptığını düşünebilirsiniz; her şey devingen ve hareketlidir.” diyor. “Sıcaklık, hareketlerini daha doğrusu devinim (kinetik) erkelerini (enerji) arttırdığından atomlar mutlak sıfırın üzerindeki bütün sıcaklıklarda hareketlidirler.” diye de ekliyor.

Klasik termodinamiğe göre bu salınım kimi zaman hidrojen atomlarının DNA üzerinde yeni pozisyonlara doğru sıçramasına neden olabilir. Bu durumda kısa bir süreliğine bir nevi yeni hidrojen bağları oluşabilir. DNA bazlarının moleküler yapısından ötürü hidrojen atomları, baz çiftleri arasında zamanlarının çoğunu geçirdikleri yere yani “istikrarlı” bir pozisyona yerleşme eğilimi gösterirler ve yalnızca kısa bir süreliğine olağandışı, “istikrarsız” pozisyonlara doğru sıçrarlar. Ardından hidrojen atomlarının kısa zamanda kendi asıl konumlarına doğru geri sıçrarlar.

Hidrojen atomları, bir proton ile negatif yüklü bir elektron ihtiva ederken nötronlardan yoksundurlar. DNA biçimini kazandığı esnada bu atomlar bağ oluştururken elektronlarını baz çifti oluşturan bazlardan birine karşı “kaybederler”. Hidrojen atomları DNA zincirinde bir taraftan öteki tarafa doğru sıçradıklarında tek bir proton gibi hareket ettiklerinden bilim insanları bu görüngüyü, 2014 yılında Accounts of Chemical dergisinde bildirildiği üzere “proton aktarımı” olarak adlandırırlar.

Buna karşın yapılan yeni çalışmaya göre klasik proton aktarımı, DNA’daki proton sıçraması olaylarının tüm örneklerini açıklayamaz.

Slocombe, “Aslına bakılırsa nokta değişinimleri esnasında kuantum kurallarının etki oranlarına kıyasla klasik termodinamik kurallarının etkisinin oldukça düşük olduğunu bulduk. Diğer bir deyişle proton sıçraması olayında proton tünelleme, sıcaklık artışının tek başına etkisinden çok daha tesirli.” diyor.

(Kaynak: Getty/Martin Steinthaler)

Engeli Aşmak

Proton tünelleme, görece büyük şeylerin dünyasında geçerliliğini yitiren kuantum kuramının belirsizlik ilkesine tabidir. Örneğin bir kişi, bir trenin hem konumunu hem de seyahat hızını kesin olarak belirleyebilir ve bu bilgilerden yola çıkarak bu trenin bir sonraki durağa ne zaman varacağını belirleyebilir.

Buna karşın iş atomaltı parçacıklara gelince bir parçacığın hem konumu hem momentumu aynı anda hesaplanamaz; bilim insanları, parçacıkların bulunma ihtimalleri olan yerlere ve belirli bir hareket hızına dair olasılıkları hesaplayarak bir parçacığın ne yapıyor olduğuna dair yalnızca belirsiz bir fotoğraf yakalayabilir. Proton tünelleme bağlamında bilim insanları, bir protonun şu veya bu pozisyonda olduğunu ve kuramsal olarak protonun gerçek anlamda evrenin hiçbir yerinde bulunmama ihtimalinin sıfırdan büyük olduğunu hesaplayabilirler.

Bu; parçacıkların, görünüşe göre mümkün olmasa da içlerinden geçmek suretiyle engelleri aşabildikleri, hatta kimi zaman setlerin üzerinden atlayabildikleri anlamına gelir.

Araştırma ekibi, DNA üzerinde proton aktarımının ne zaman ve nerede gerçekleştiğini öngörmek adına parçacıkların istikrarlı pozisyonlarından ayrılıp istikrarsız pozisyonlara doğru yerleşmeleri için gereken erkeyi saptadı. Bu erke yani eşik değer “erke engeli” olarak bilinirken istikrarsız pozisyondan istikrarlı pozisyona dönüş için gereken erke değeri “ters engel” olarak anılır. 

Ekip, sıcaklık artışı ile etkinleşen klasik proton aktarımı için gereken erke engelinin, proton tünelleme için gereken erke düzeyine kıyasla son derece yüksek olduğunu buldu. Tahmin edilen proton tünelleme oranları klasik proton aktarımı oranlarını aşıyor; hesaplara proton tünellemeyi katmayınca DNA bazları arasındaki proton atlamalarının oranı, Slocombe’un deyimiyle “sıfıra çok ama çok yakın” olacaktır.

Sam Hay, “Araştırmacıların hesaplamalarındaki sınırlar dâhilinde tünelleme, [DNA baz çiftleri arasındaki] proton aktarımında oldukça büyük bir rol oynar.” diyor.

Ekip aynı zamanda, A-T çiftleri arasındaki proton tünelleme olayı için gereken ters engelin G-C çiftleri arasındakinden çok, çok daha düşük olduğunu buldu. Bunun anlamı şudur: Örneğin A bazından T bazına doğru tünelleme yapan bir protonun olması durumunda Slocombe’un deyişiyle “bu proton derhal eski durumuna döner”; ters engel, bu protonun bir anda kolayca kendi istikrarlı durumuna geri dönmesini mümkün kılacak kadar düşüktür.

Slocombe, “Söz konusu, çok daha büyük bir ters engel düzeyine sahip G-C baz çifti olduğunda bir proton kayda değer bir zaman dilimi zarfında kısmen istikrarlı bir durumda kalabilir.” diyor. Yani G-C baz çiftinde bir proton erke engelini bir defa aştıktan sonra bir süre istikrarsız pozisyonda kalabilir. Slocombe, bu istikrarsız pozisyonda kalma durumunun DNA molekülünün eşlenmesinden hemen önce gerçekleşmesi hâlinde protonun, zincirin “yanlış tarafında” sıkışmasına neden olacağını söylüyor.

DNA kendisini kopyalamak için öncelikle baz çiftleri arasındaki bağları kırar, bir fermuar gibi kapalı olan DNA zinciri açılır. Ardından “çoğuzlaştırıcı (polimeraz)” adlı bir enzim devreye girer ve tıpkı bir yapbozun parçaları gibi uyumlu olan yeni bazları, DNA zincirinin açık tarafındaki boşluklara yerleştirmeye başlar. Sorun tam da bu noktada ortaya çıkıyor. Eğer çoğuzlaştırıcı enzim, istikrarsız bir pozisyondaki bir proton ile karşılaşırsa kendisini, DNA zincirindeki baz ile eşleştirmek için yanlış yapboz parçasını seçerken bulabilir. Örneğin, bir proton G bazına atlamış vaziyetteyken çoğuzlaştırıcı enzim devreye girerse G bazı ile C bazını eşleştirmesi gerekirken T bazını eşleştirir ve hatasını fark etmez.

Milyon Dolarlık Soru

DNA eşlenmesinde bu tür bir hata ilk kez, “An Introduction to Genetic Analysis” adlı ders kitabının işaret ettiği üzere DNA ile ilgili ilk çalışmalardan bazılarını yürüten biyolog James Watson ve fizikçi Francis Crick tarafından gözlemlendi. Bu yeni çalışma, bu tür değişinimlerin sorumlusunun termodinamikten ziyade proton tünelleme olabileceği görüşünü sunuyor.

Slocombe, “Olağan koşullarda hiçbir önemi olmayan bu kuantum etkisi, DNA’nın kendisini eşlemek için ayrılması sürecinden hemen önce ciddi bir zafiyet hâline gelir.” diyor.

Araştırmacılar tür nokta değişinimlerinin, hücrelerin işleyişinde veya üretilen proteinlerde herhangi bir değişiklik yaratmayacak, önemsiz hatalara yol açabildiklerini; bunun yanı sıra orak hücreli kansızlık gibi kimi hastalıklara ve küçük hücreli dışı akciğer kanseri gibi kimi kanser türlerine neden olan tahrip edici sonuçlar doğurabildiklerini de bildiriyorlar. Buna karşın nokta değişinimleri, kimi zaman yararlı da olabilir.

Sam Hay tüm bunlara karşın bilim insanlarının, böyle bir nokta değişiniminin meydana gelmesi için bir protonun ne kadar süreyle istikrarsız konumda kalması gerektiğini hâlâ bilmediklerini bildiriyor. Bu yeni çalışmanın DNA zincirinin yalnızca küçük bir kısmını modellediğini ve proton tünellemenin hangi sıklıkta gerçekleştiğinin anlaşılması için tüm sistemin modellenmesi gerektiğini de ekliyor.

Slocombe ve çalışma arkadaşları şimdilerde, baz çiftlerini saran çevrenin daha büyük bir modelini yapmak adına çalışıyorlar. Eğer daha büyük bir model yapmayı başarırsalar hem kuantum fiziğinin hem klasik fiziğin DNA üzerindeki etkilerini, proton sıçrayışının nasıl farklı düzenekler aracılığıyla gerçekleştiğini çözümlemeye başlayabilirler. Bu ve buna benzer araştırmalar, proton aktarımının meydana gelme olasılığını artıran durumları tespit etmeye ve bu olayın ne sıklıkta zararlı kalıtsal değişinimleri tetiklediğini açığa çıkarmaya yardımcı olabilir.

Slocombe, “Bu, milyon dolarlık soru.” diyor.

Via
https://www.livescience.com/quantum-physics-dna-mutations.html

Çisem Özge BİÇER

Atatürk Üniversitesi/ Tıp Fakültesi

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Back to top button