Работа сотрудников Дальневосточного федерального университета и Объединенного института ядерных исследований может стать основой для дальнейшего изучения роли квантовых эффектов в биологических системах.
ДНК можно представить как хранилище инструкций, по которым клетка производит белки и регулирует процессы своей жизнедеятельности. Чтобы воспользоваться информацией, записанной в определенном участке ДНК, клетка сначала создает его копию — матричную РНК. Этот процесс называется транскрипцией. Получившаяся мРНК затем используется как инструкция для синтеза белка.
Во время транскрипции РНК-полимераза открывает небольшой участок двойной спирали ДНК и по одной из ее цепей собирает молекулу мРНК. При этом исходная ДНК и создаваемая по ней мРНК на некоторое время находятся в непосредственной близости друг от друга.
Именно этот момент исследователи рассмотрели с точки зрения квантовой физики. Ученые Департамента общей и экспериментальной физики Института наукоемких технологий и передовых материалов ДВФУ и Лаборатории радиационной биологии ОИЯИ изучили, может ли между ДНК и мРНК возникать квантовая запутанность — особое состояние, при котором две системы оказываются связаны на квантовом уровне и их состояния нельзя рассматривать полностью независимо друг от друга.
Для моделирования ученые выбрали участок гена TP53, который кодирует белок p53. Этот белок участвует в защите клеток от опасных изменений и помогает организму реагировать на повреждение генетического материала.
«Мы рассмотрели ситуацию, которая возникает непосредственно во время транскрипции, когда ДНК и новосинтезируемая мРНК находятся рядом. В этот момент между ними, согласно нашей модели, при определенных физических условиях может возникнуть квантовая запутанность. Это означает, что две молекулы на короткое время могут образовать связанную квантовую систему», — рассказал доцент Департамента общей и экспериментальной физики ИНТиПМ ДВФУ Сергей Ширмовский.
Одним из условий, рассмотренных в работе, является миграция заряда внутри молекулярной системы. В физической модели для описания такого процесса используется понятие «дырки» — особого состояния, связанного с отсутствием электрона. Расчеты показали, что движение такого заряда может приводить к возникновению квантовой запутанности между ДНК и мРНК.
Условно этот процесс можно представить как появление дополнительной связи между оригиналом и его копией. Обычно генетическая информация передается от ДНК к мРНК благодаря последовательности химических взаимодействий. Исследователи предположили, что одновременно с этим в системе может существовать и квантовый механизм связи.
«Речь не идет о физической телепортации молекул или о перемещении ДНК из одного места в другое. Мы рассматриваем возможность передачи квантового состояния между двумя связанными системами. Именно поэтому этот процесс можно сравнить с принципами квантовой телепортации, известными в физике», — пояснил Сергей Ширмовский.
По результатам моделирования, образование такого связанного состояния может происходить за очень короткое время — порядка триллионных долей секунды. Исследователи также рассмотрели несколько вариантов формирования и сохранения квантовой запутанности в системе ДНК–мРНК.
«Полученные результаты показывают, что квантовая запутанность в системе ДНК–мРНК теоретически возможна. Однако это пока именно теоретическое предсказание. Мы не утверждаем, что такой механизм уже экспериментально обнаружен в живой клетке. Следующий важный этап — разработка экспериментов, которые позволят проверить полученные результаты», — отметил ведущий научный сотрудник Лаборатории радиационной биологии ОИЯИ Алексей Чижов.
Исследование относится к области квантовой биологии — направлению, которое изучает, могут ли квантовые явления влиять на процессы в живых организмах. Квантовая запутанность хорошо изучена в физических системах, однако ее возможное существование и функциональная роль в биологических молекулах остаются предметом научных исследований.
Если предложенный механизм удастся подтвердить экспериментально, это может расширить представления о том, как в живых клетках происходит передача и обработка информации. В частности, ученым предстоит выяснить, может ли квантовая связь между ДНК и мРНК действительно влиять на процессы, происходящие в клетке. Таким образом, работа ДВФУ и ОИЯИ предлагает физическую модель возможного квантового механизма передачи информации в процессе транскрипции и формирует основу для дальнейшей экспериментальной проверки этой гипотезы. Результаты опубликованы в международном научном журнале BioSystems.
