Физики разработали модель квантового взаимодействия между ДНК и мРНК в процессе синтеза. Объясняем, что представляет собой квантовая запутанность в живой клетке и почему это имеет значение для квантовой биологии.
Специалисты из Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) совместно с коллегами теоретически смоделировали условия, при которых может возникнуть квантовая связь между ДНК и матричной РНК (мРНК). Исследования продемонстрировали, что такое взаимодействие потенциально может обеспечивать передачу информации между молекулами на квантовом уровне, что может изменить представления о биологических процессах, отмечается на сайте Десятилетия науки и технологий в России.
ДНК можно рассматривать как хранилище инструкций, по которым клетка синтезирует белки. Чтобы использовать эту информацию, клетка создает копию определенного участка ДНК — мРНК. Этот процесс называется транскрипцией. В ходе него специальный фермент РНК-полимераза открывает участок двойной спирали ДНК и по одной из ее цепей формирует молекулу мРНК. В этот краткий промежуток времени исходная ДНК и создаваемая по ней копия находятся в непосредственной близости друг от друга.
Именно этот момент исследователи изучили с точки зрения квантовой физики. Ученые проанализировали, может ли между молекулами возникать квантовая запутанность — особое состояние, при котором две системы оказываются связанными на квантовом уровне, и их состояния нельзя рассматривать независимо. Для моделирования был выбран участок гена TP53, который отвечает за синтез белка p53, играющего важную роль в защите клеток от неблагоприятных изменений.
«Мы проанализировали 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 сформировать связанную квантовую систему», — пояснил доцент Департамента общей и экспериментальной физики ДВФУ Сергей Ширмовский.
Одним из условий, рассмотренных в исследовании, является миграция заряда внутри молекулярной системы. Расчеты показали, что движение такого заряда, описываемого в физике понятием «дырка», может приводить к возникновению квантовой запутанности между ДНК и мРНК. Условно этот процесс можно представить как появление дополнительной связи между оригиналом и его копией. При этом исследователи отмечают, что речь не идет о физической телепортации молекул, а лишь о передаче квантового состояния.
По результатам моделирования, образование такого связанного состояния может происходить за крайне короткий период — порядка триллионных долей секунды. Ведущий научный сотрудник Лаборатории радиационной биологии ОИЯИ Алексей Чижов подчеркнул, что полученные результаты пока остаются теоретическим предсказанием. «Мы не утверждаем, что такой механизм уже был экспериментально обнаружен в живой клетке. Следующий важный этап — разработка экспериментов, которые позволят проверить эти результаты», — отметил он.
Исследование относится к области квантовой биологии. Если предложенный механизм удастся подтвердить экспериментально, это может углубить понимание того, как в живых клетках происходит передача и обработка информации. Таким образом, работа ученых предоставляет физическую модель возможного квантового механизма и закладывает основу для дальнейшей экспериментальной проверки этой гипотезы.
Фото: hi-tech.mail.ru