¿Por qué el ADN muta espontáneamente? La física cuántica podría explicarlo.
La mecánica cuántica, que rige el mundo de lo diminuto, puede ayudar a explicar por qué las mutaciones genéticas aparecen espontáneamente en el ADN cuando éste hace copias de sí mismo, según sugiere un estudio reciente.
La mecánica cuántica describe las extrañas reglas que rigen los átomos y sus componentes subatómicos. Cuando las reglas de la física clásica, que describen el gran mundo, se rompen, la cuántica entra a explicarlas. En el caso del ADN, la física clásica ofrece una explicación de por qué pueden aparecer repentinamente cambios en un solo peldaño de la escalera espiral del ADN, dando lugar a lo que se llama una mutación puntual.
En un estudio reciente, publicado el 29 de enero en la revista Physical Chemistry Chemical Physics, los investigadores exploran otra explicación, mostrando que un fenómeno cuántico llamado túnel de protones puede causar mutaciones puntuales al permitir que los protones cargados positivamente en el ADN salten de un lugar a otro. Esto, a su vez, puede cambiar sutilmente los puentes de hidrógeno que unen los dos lados de la doble hélice del ADN, lo que puede dar lugar a errores cuando llega el momento de que el ADN haga copias de sí mismo.
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En concreto, este sutil cambio puede provocar errores en la secuencia de ADN, donde las "letras" equivocadas se emparejan a medida que la cadena se replica, señalan los autores del estudio. Estas letras, conocidas como bases, suelen emparejarse de una manera determinada: A con T y G con C. Pero el túnel de protones puede hacer que algunas bases se mezclen y combinen.
"Se han realizado bastantes trabajos computacionales sobre los enlaces de hidrógeno y la transferencia de protones en los pares de bases del ADN", dijo Sam Hay, profesor de química computacional y teórica de la Universidad de Manchester, que no participó en el estudio. "Este trabajo utiliza cálculos de muy alto nivel para reexaminar este fenómeno", dijo a Live Science en un correo electrónico.
Sin embargo, debido a los cálculos utilizados, los autores sólo pudieron modelar pequeñas porciones de una cadena de ADN, a nivel de bases individuales y pares de bases. Esto significa que el modelo no incluye los dos lados de la doble hélice del ADN, ni los pares situados en otras partes de la hebra, señaló Hay. Estas estructuras cercanas pueden tener un "efecto significativo" en el desarrollo del túnel de protones, pero modelar toda la cadena de ADN habría requerido una enorme cantidad de potencia de cálculo, dijo.
"Es posible que tengamos que esperar a que la potencia de cálculo o la metodología mejoren aún más antes de que esto pueda abordarse", dijo.
Clásica frente a cuántica
Ahora, la física clásica también ofrece una explicación de por qué los protones saltan en el ADN.
Los pares de bases del ADN están unidos por enlaces de hidrógeno, una atracción relativamente débil entre los átomos de hidrógeno y las moléculas de las bases. Estos enlaces pueden romperse con el calor, ya que al aumentar la temperatura, las moléculas vibran y se agitan enérgicamente, haciendo que los átomos de hidrógeno se salgan de su sitio.
"Se puede pensar que todo el entorno se agita, vibra... todo es dinámico y se mueve", afirma Louie Slocombe, coautor del estudio y estudiante de doctorado en el Centro de Formación Doctoral en Biología Cuántica Leverhulme de la Universidad de Surrey (Inglaterra). Los átomos se mueven a cualquier temperatura por encima del cero absoluto, porque el calor aumenta su energía cinética o movimiento, explica.
Según la termodinámica clásica, esta agitación permite a veces a los átomos de hidrógeno saltar a nuevas posiciones en el ADN, forjando brevemente nuevos enlaces. Sin embargo, los átomos vuelven pronto a su posición original; debido a la estructura molecular de las bases del ADN, los átomos de hidrógeno tienden a establecerse en una posición algo "estable" entre los pares, donde pasan la mayor parte del tiempo, y sólo escapan brevemente a posiciones inusuales e "inestables".
Los átomos de hidrógeno contienen un solo protón, un electrón con carga negativa y ningún neutrón; durante la formación del ADN, estos átomos "pierden" su electrón en una base del par cuando forman un enlace. Así que, en efecto, cuando los átomos de hidrógeno saltan de un lado a otro de una cadena de ADN, se mueven como un solo protón, de ahí que los científicos se refieran al fenómeno como "transferencia de protones", según un informe de 2014 publicado en la revista Accounts of Chemical Research.
Pero, según el nuevo estudio, la transferencia clásica de protones no explica todos los casos en que los protones rebotan en el ADN.
"Básicamente, lo que descubrimos es que la cantidad de esto [que ocurre] sólo a través de la termodinámica clásica es muy baja, en comparación con cuando hacemos los números para las tasas cuánticas", dijo Slocombe. En otras palabras, la tunelización de protones probablemente impulsa más saltos de protones que el calor por sí solo, dijo.
Saltando la barrera
El túnel de protones se basa en el principio cuántico de incertidumbre, que no se aplica al mundo de las cosas grandes. Por ejemplo, en el mundo de las cosas grandes, uno puede estar seguro tanto de la ubicación de un tren como de la velocidad a la que viaja, y utilizando esa información, se puede predecir cuándo debe llegar ese tren a la siguiente estación.
Sin embargo, cuando se trata de partículas subatómicas, su ubicación y velocidad exactas no pueden calcularse al mismo tiempo; los científicos sólo pueden captar una imagen borrosa de lo que hace una partícula, calculando la probabilidad de que aparezca en un lugar determinado, viajando a una velocidad concreta. En el contexto del túnel de protones, los científicos pueden calcular la probabilidad de que un protón esté en una posición u otra, y teóricamente ese protón tiene una probabilidad no nula de estar literalmente en cualquier lugar del universo.
Esto significa que las partículas pueden atravesar barreras que aparentemente no deberían poder atravesar, a veces incluso permitiendo que salten a través de las paredes, según informó anteriormente Live Science.
Para predecir cuándo y dónde podría producirse la transferencia de protones en el ADN, el equipo determinó la cantidad de energía necesaria para que las partículas salgan de sus posiciones "estables" y pasen a posiciones "inestables". Este umbral se conoce como "barrera de energía", y la energía necesaria para volver al estado estable es la "barrera inversa".
El equipo descubrió que la barrera energética para la transferencia clásica de protones, impulsada por el calor, es bastante alta comparada con la del tunelaje de protones. La velocidad de tunelización de protones prevista es tan superior a la de la transferencia clásica que, sin tener en cuenta la tunelización, la probabilidad de que un protón salte a la base opuesta del ADN sería "muy, muy cercana a cero", dijo Slocombe.
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"Dentro de las limitaciones de los cálculos de los autores, parece que la tunelización desempeña un papel modesto [a] bastante grande durante la transferencia de protones" entre las bases de un par, dijo Hay a Live Science.
El equipo también descubrió que la barrera inversa para el túnel de protones entre pares A-T era mucho, mucho más baja que para los pares G-C. Esto significa que, en el caso de que un protón hiciera un túnel desde el lado A al T de un par, por ejemplo, "volvería a rodar instantáneamente", dijo Slocombe; la barrera inversa es tan baja que el protón volvería fácilmente a su estado estable.
"Mientras que para el G-C, tiene esta barrera inversa bastante grande, lo que significa que el estado es algo estable durante una porción significativa de tiempo", dijo Slocombe. Así, una vez que un protón salta la barrera energética de un par G-C, puede permanecer en su posición inestable durante algún tiempo. Si esto ocurre justo antes de que comience la replicación del ADN, el protón puede quedarse atascado en el "lado equivocado" de la cadena, dijo Slocombe.
Esto se debe a que, para copiarse a sí mismo, el ADN primero se abre, rompiendo los enlaces entre los pares de bases. A continuación, una enzima llamada polimerasa entra en acción y comienza a encajar nuevas bases en las ranuras abiertas, como si fueran piezas de un puzzle. El problema es que, cuando la polimerasa encuentra un protón en una posición inestable, puede acabar seleccionando la pieza de puzzle equivocada para la base unida. Por ejemplo, un protón puede saltar a una G, y cuando la polimerasa se acerca, la enzima adjunta una T en lugar de una C y no capta el error.
La pregunta del millón
Este tipo de error en la replicación del ADN fue observado por primera vez por el biólogo James Watson y el físico Francis Crick, que realizaron algunos de los primeros estudios sobre el ADN, según el libro de texto "An Introduction to Genetic Analysis" (W. H. Freeman, 2000). El nuevo estudio defiende que el túnel de protones -más que la termodinámica- puede ser el responsable de estas mutaciones.
Así que "justo antes del proceso de división, se produce un momento de vulnerabilidad, en el que este efecto cuántico, que normalmente no importaría en absoluto, es ahora no trivial", dijo Slocombe.
Las mutaciones puntuales que pueden resultar de estos errores pueden ser intrascendentes y no causar ningún cambio en el funcionamiento de las células o en la construcción de proteínas, pero también pueden ser devastadoras y contribuir a enfermedades como la anemia de células falciformes y ciertos tipos de cáncer, como el cáncer de pulmón de células no pequeñas, dijeron los investigadores. En algunos casos, las mutaciones puntuales también pueden ser beneficiosas
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Aun así, los científicos todavía no saben cuánto tiempo tendría que permanecer un protón en su posición inestable para que se produjera realmente esa mutación puntual, señaló Hay. Y, de nuevo, el nuevo estudio modeló sólo una pequeña porción de la cadena de ADN, y hay que modelar todo el sistema para entender con qué frecuencia se produce el tunelamiento de protones, dijo.
Slocombe y sus colegas trabajan ahora para modelar el entorno más amplio que rodea a los pares de bases; de este modo, pueden empezar a resolver cómo la física cuántica y la clásica luchan con el ADN e impulsan el salto de protones a través de diferentes mecanismos. Esta línea de investigación debería ayudar a revelar qué condiciones hacen más probable la transferencia de protones y con qué frecuencia el fenómeno desencadena mutaciones genéticas perjudiciales.
"Esta es la pregunta del millón", dijo Slocombe.
