A mecânica quântica, que governa o mundo dos pequeninos, pode ajudar a explicar por que mutações genéticas surgem espontaneamente no DNA à medida que ele faz cópias de si mesmo, sugere um estudo recente.
A mecânica quântica descreve as estranhas regras que governam os átomos e seus componentes subatômicos. Quando as regras da física clássica, que descrevem o grande mundo, são quebradas, o quantum vem para explicar. No caso do DNA, a física clássica oferece uma explicação de por que as mudanças podem aparecer repentinamente em um único degrau da escada em espiral do DNA, resultando no que é chamado de mutação pontual.
Em um estudo recente, publicado em 29 de janeiro na revista Physical Chemistry Chemical Physics, os pesquisadores exploram outra explicação, mostrando que um fenômeno quântico chamado tunelamento de prótons pode causar mutações pontuais, permitindo que prótons carregados positivamente no DNA saltem de um lugar para outro. Isso, por sua vez, pode alterar sutilmente as pontes de hidrogênio que ligam os dois lados da dupla hélice do DNA, o que pode levar a erros na hora de o DNA fazer cópias de si mesmo.
Em particular, esta mudança sutil pode causar erros de impressão na sequência de DNA, onde as “letras” erradas são emparelhadas enquanto a fita se replica, observam os autores do estudo. Essas letras, conhecidas como bases, geralmente formam pares de uma certa maneira: A para T e G para C. Mas o tunelamento de prótons pode fazer com que algumas bases se misturem e combinem.
“Tem havido muito trabalho computacional olhando para ligações de hidrogênio [e] transferência de prótons em pares de bases de DNA”, disse Sam Hay, professor de química computacional e teórica da Universidade de Manchester, que não esteve envolvido no estudo. “Este artigo usa cálculos de alto nível para reexaminar esse fenômeno”, disse ele por e-mail à Live Science.
No entanto, devido aos cálculos usados, os autores puderam modelar apenas pequenas porções de uma fita de DNA, no nível de bases simples e pares de bases. Isso significa que o modelo não inclui os dois lados da dupla hélice do DNA, nem os pares localizados em outras partes da fita, observou Hay. Essas estruturas próximas podem ter um “efeito significativo” em como o tunelamento de prótons se desenvolve, mas para modelar toda a fita de DNA teria exigido uma quantidade enorme de poder computacional, disse ele.
“Podemos ter que esperar até que o poder de computação ou metodologia melhore ainda mais antes que isso possa ser resolvido”, disse ele.
Clássico versus quântico
Agora, a física clássica também fornece uma explicação de por que os prótons saltam no DNA.
Os pares de bases do DNA são unidos no meio por ligações de hidrogênio – uma atração relativamente fraca entre os átomos de hidrogênio e as moléculas nas bases. Essas ligações podem ser quebradas pelo calor, porque conforme a temperatura aumenta, as moléculas vibram e balançam vigorosamente, fazendo com que os átomos de hidrogênio saltem do lugar.
“Você pode pensar em todo o ambiente balançando, vibrando … tudo é dinâmico e em movimento”, disse o co-autor do estudo Louie Slocombe, estudante de doutorado do Centro de Treinamento de Doutorado em Biologia Quântica Leverhulme da Universidade de Surrey, na Inglaterra. Os átomos se mexem a qualquer temperatura acima do zero absoluto, porque o calor aumenta sua energia cinética, ou movimento, disse ele.
De acordo com a termodinâmica clássica, esse balançar às vezes permite que os átomos de hidrogênio saltem para novas posições no DNA, forjando brevemente novas ligações. Mas os átomos logo voltam às suas localizações originais; devido à estrutura molecular das bases do DNA, os átomos de hidrogênio tendem a se estabelecer em uma posição um tanto “estável” entre os pares, onde passam a maior parte do tempo e escapam apenas brevemente para posições incomuns e “instáveis”.
Os átomos de hidrogênio contêm apenas um próton, um elétron com carga negativa e nenhum nêutron; durante a formação do DNA, esses átomos “perdem” seu elétron para uma base do par quando formam uma ligação. Então, de fato, quando átomos de hidrogênio saltam de um lado de uma fita de DNA para o outro, eles se movem como um único próton, portanto, os cientistas se referem ao fenômeno como “transferência de próton”, de acordo com um relatório de 2014 na revista Accounts of Chemical Research .
Mas, de acordo com o novo estudo, a transferência clássica de prótons não é responsável por todos os casos em que os prótons saltam no DNA.
“Essencialmente, o que descobrimos é que a quantidade disso [acontecendo] apenas por meio da termodinâmica clássica é muito baixa, em comparação com quando executamos os números para taxas quânticas”, disse Slocombe. Em outras palavras, o tunelamento de prótons provavelmente leva a mais saltos de prótons do que o calor sozinho, disse ele.
Pulando a barreira
O tunelamento de prótons se baseia no princípio quântico da incerteza, que não se aplica ao mundo maior. Por exemplo, no mundo das coisas grandes, pode-se ter certeza tanto da localização de um trem quanto da velocidade com que está viajando e, usando essas informações, pode-se prever quando o trem chegará na próxima estação.
No entanto, quando se trata de partículas subatômicas, sua localização e velocidade exatas não podem ser calculadas ao mesmo tempo; os cientistas podem capturar apenas uma imagem nebulosa do que uma partícula está tramando, calculando a probabilidade de que ela apareça em um determinado local, viajando a uma determinada velocidade. No contexto do tunelamento de prótons, os cientistas podem calcular a probabilidade de um próton estar em uma posição ou outra – e, teoricamente, esse próton tem uma probabilidade diferente de zero de estar literalmente em qualquer lugar do universo.
O que isso significa é que as partículas podem atravessar barreiras que aparentemente não deveriam ser capazes, às vezes até mesmo deixando-as atravessar paredes, relatou a Live Science anteriormente.
Para prever quando e onde a transferência de prótons pode ocorrer no DNA, a equipe determinou a quantidade de energia necessária para que as partículas saiam de suas posições “estáveis” e entrem em posições “instáveis”. Esse limite é conhecido como “barreira de energia”, e a energia necessária para retornar ao estado estável é a “barreira reversa”.
A equipe descobriu que a barreira de energia para a transferência clássica de prótons, impulsionada pelo calor, é bastante alta em comparação com a do tunelamento de prótons. A taxa prevista de tunelamento de prótons até agora excedeu a transferência clássica que, sem levar em conta o tunelamento, a probabilidade de um próton saltar para a base de DNA oposta seria “muito, muito próxima de zero”, disse Slocombe.
“Dentro das limitações dos cálculos dos autores, parece que o tunelamento desempenha um papel modesto [a] bastante grande durante a transferência de prótons” entre as bases de um par, disse Hay ao Live Science.
A equipe também descobriu que a barreira reversa para o tunelamento de prótons entre os pares A – T era muito, muito menor do que para os pares G – C. Isso significa que, no caso de um próton fazer um túnel do lado A para o T de um par, por exemplo, “ele simplesmente rolaria para trás instantaneamente”, disse Slocombe; a barreira reversa é tão baixa que o próton facilmente voltaria ao seu estado estável.
“Enquanto para G – C, tem esta barreira reversa bastante grande, o que significa que o estado é um tanto estável por um período significativo de tempo”, disse Slocombe. Assim, uma vez que um próton saltou a barreira de energia de um par G – C, ele pode permanecer em sua posição instável por algum tempo. Se isso ocorrer um pouco antes do início da replicação do DNA, o próton pode ficar preso no “lado errado” da fita, disse Slocombe.
Isso porque, para se copiar, o DNA primeiro se descompacta, quebrando as ligações entre os pares de bases. Uma enzima chamada polimerase então se lança e começa a encaixar novas bases nas fendas abertas, como peças de um quebra-cabeça. O problema é que, quando a polimerase encontra um próton em uma posição instável, ela pode acabar selecionando a peça errada do quebra-cabeça para a base anexada. Por exemplo, um próton pode saltar para um G e, quando a polimerase passa, a enzima anexa um T em vez de um C e não detecta o erro.
A pergunta de um milhão de dólares
Esse tipo de erro na replicação do DNA foi observado pela primeira vez pelo biólogo James Watson e pelo físico Francis Crick, que conduziu alguns dos primeiros estudos de DNA, de acordo com o livro “Uma introdução à análise genética” (W. H. Freeman, 2000). O novo estudo defende que o tunelamento de prótons – mais do que a termodinâmica – pode ser responsável por essas mutações.
Portanto, “um pouco antes do processo de divisão, você tem um momento de vulnerabilidade, onde este efeito quântico, que normalmente não teria importância, agora não é trivial”, disse Slocombe.
As mutações pontuais que podem resultar desses erros podem ser irrelevantes, não causando nenhuma mudança no modo como as células funcionam ou constroem proteínas; mas também podem ser devastadores, contribuindo para doenças como a anemia falciforme e certos tipos de câncer, como o câncer de pulmão de células não pequenas, disseram os pesquisadores. Em alguns cenários, as mutações pontuais também podem ser benéficas.
Mesmo assim, os cientistas ainda não sabem quanto tempo um próton precisaria para permanecer em sua posição instável para que tal mutação pontual realmente ocorresse, observou Hay. E, novamente, o novo estudo modelou apenas uma pequena porção da fita de DNA, e todo o sistema deve ser modelado para entender com que frequência ocorre o tunelamento de prótons, disse ele.
Slocombe e seus colegas agora estão trabalhando para modelar o ambiente maior em torno dos pares de bases; dessa forma, eles podem começar a entender como a física quântica e a clássica lutam com o DNA e impulsionam o salto de prótons por meio de diferentes mecanismos. Essa linha de pesquisa deve ajudar a revelar quais condições tornam a transferência de prótons mais provável de ocorrer e com que frequência o fenômeno desencadeia mutações genéticas prejudiciais.
“Esta é a pergunta de um milhão de dólares”, disse Slocombe.
Publicado em 18/03/2021 09h24
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