Spontaneous Mutations from Terahertz Proton Tunneling

في أعماق كل خلية حية يكمن جزيء يعمل كالمخطط الرئيسي للحياة: حمض الديوكسي ريبونوكلييك، أو ما يعرف بـ DNA. يتخذ هذا الجزيء شكل سلم ملتوي، حيث يمتد شريطان طويلان بشكل متوازٍ. وتتكون درجات هذا السلم من أزواج من القواعد الكيميائية، ويحمل الترتيب المحدد لهذه الأزواج التعليمات اللازمة لبناء الكائن الحي والحفاظ عليه. ولكي تستمر الحياة، يجب على الخلايا نسخ هذا المخطط لنقله إلى خلايا جديدة، كما يجب عليها قراءته لبناء البروتينات. ومع ذلك، فإن عملية النسخ والقراءة ليست مثالية؛ إذ تتغير التعليمات أحياناً، مما يؤدي إلى ما يسميه العلماء "الطفرة". وهذه التغييرات هي المادة الخام للتطور، مما يسمح للأنواع بالتكيف بمرور الوقت، لكنها تساهم أيضاً في شيخوخة الكائنات الحजीवة. والسؤال الذي طالما أثار فضول الباحثين هو كيف تحدث هذه التغييرات نادراً جداً، ومع ذلك تتم بدقة متناهية، وما هي القوى غير المرئية داخل الجزيء التي قد تكون مسؤولة عنها.

يقترح تحليل جديد أجراه نوح براي-آلي آلية فيزيائية محددة لهذه التغييرات العفوية، مع التركيز على الجسيمات الصغيرة المسماة "البروتونات" التي تربط أزواج القواعد ببعضها البعض. في النموذج القياسي لـ DNA، تستقر هذه البروتونات في مواضع محددة داخل الروابط الهيدروجينية، مما يخلق عدم تماثل يسمح للخلية بالتمييز بين الشريط "الحسي" وشريكه. ويشير البحث إلى أن هذه البروتونات ليست ساكنة؛ بل هي في حركة مستمرة، وتنتقل ذهاباً وإياباً عبر الفجوة بين القواعد بتردد يُقاس بالتيراهيرتز. وتخلق هذه الحركة السريعة حالة كمومية دقيقة حيث يمكن للبروتونات تبادل أماكنها. وعندما تحاول الخلية نسخ أو قراءة الـ DNA، يجب كسر الروابط التي تمسك أزواج القواعد معاً. يحدث هذا الكسر بسرعة هائلة، في جزء من تريليون من الثانية. ولأن الرابط ينكسر بسرعة كبيرة، لا تملك البروتونات وقتاً للاستقرار في مواضعها الأصلية، بل تهبط بدلاً من ذلك في ترتيب جديد نادر. وهذا الترتيب الجديد يستعيد تماثلاً كان مفقوداً سابقاً، مما يؤدي فعلياً إلى محو التعليمات الجينية الأصلية واستبدالها بأخرى مختلفة.

تحسب الدراسة أن هذه العملية تحدث باحتمالية تبلغ حوالي اثنتين من كل عشر مليارات لكل زوج من القواعد يتم نسخه أو قراءته. ومن المثير للاهتمام أن احتمال هبوطها في "التوتومر" النادر يعطي ضعف معدل الطفرة العفوية المرصود تقريباً، حيث يعكس عامل الاثنين استعادة التماثل الثنائي بين شريطي هيكل اللولب المزدوج عند ارتباط التوتومر النادر بنيوكليوتيد حر أثناء عملية التضاعف. وقد توصل الباحثون إلى هذه النتيجة من خلال معاملة زوج قواعد الـ DNA كنظام كمومي محكوم بمقاييس طاقة محددة. فقد حددوا أنه بينما تتحرك البروتونات بتردد عالٍ جداً، فإن التبادل الفعلي لمواضعها يحدث بوتيرة أبطأ بك كثيراً، وهي وتيرة موجات الراديو. هذا التبادل الأبطأ هو نتيجة تفاعل معقد يتضمن الطاقة المطلوبة لتحريك البروتون والطاقة اللازمة لإزاحة الشحنة الكهربائية داخل الجزيء. ويظهر التحليل أن الجزيء محمي من حرارة الخلية، التي قد تؤدي في الحالة العادية إلى بعثرة مثل هذه الحالات الكمومية الدقيقة، مما يسمح لآلية التبادل المحددة هذه بأن تظل مستقرة وفعالة.

إن تداعيات هذا الاكتشاف تمتد إلى ما هو أبعد من مجرد أخطاء في النسخ. إذ يجادل البحث بأن فعل استخدام الشفرة الوراثية لاستدامة الحياة هو نفسه ما يؤدي في النهاية إلى استنزافها. فعندما تقرأ الخلية الـ DNA الخاص بها لصنع البروتينات، يجب عليها فصل الأشرطة، وبالتالي كسر الروابط بين القواعد. وإذا قام بروتون بتبديل مكانه أثناء هذا الفصل، فإن الرابط الذي يتشكل لاحقاً يكون مختلفاً عن الأصلي. وتحاول آليات الإصلاح في الخلية، سعياً منها لإصلاح عدم التطابق، استخدام الشريط المكمل كنموذج. ومع ذلك، ولأن الطفرة قد استعادت التماثل بين الشريطين، فإن عملية الإصلاح تثبت هذا التغيير، مما يؤدي إلى تغيير الشفرة الوراثية بشكل دائم. وهذا يعني أنه في كل مرة تعيش فيها الخية وتعمل، فإنها تخاطر بإدخال تغيير صغير في مخططها الخاص. ومع مرور الوقت، يؤدي تراكم هذه التغييرات إلى شيخوخة الكائن الحي ويضع حداً أساسياً للمدة التي يمكن أن يستمر فيها الجيل الواحد.

يؤكد الباحثون أن هذه ليست عملية فوضوية، بل هي عملية متماسكة مدفوعة بالقوانين الأساسية للفيزياء الكمومية. فالبروتونات لا تقفز عشوائياً، بل تتبع مساراً محدداً حيث يتحرك بروتون واحد أولاً، يليه الآخر، في تسلسل منسق يحافظ على توازن الطاقة في الجزيء. ويضمن هذا التنسيق بقاء معدل الطفرة منخفضاً بما يكفي للسماح للحياة بالاستمرار، وعالياً بما يكفي لدفع مسار التطور البطيء والمستمر. ويخلص البحث إلى أن معدل الطفرة العفوية ليس حادثاً بيولوجياً، بل هو نتيجة مباشرة للخصائص الفيزيائية لجزيء الـ DNA نفسه، كما هو موضح في النموذج النظري المقدم. ومن خلال فهم مقاييس الطاقة والترددات المعنية، يقدم البحث تفسيراً كمياً واضحاً لسبب حدوث التغيير الجيني بالمعدل الذي يحدث به، رابطاً السلوك المجهري للجسيمات دون الذرية بالمقاييس الكبرى للتطور وعمر الكائنات الحية.