El efecto túnel, un efecto cuántico bien conocido, predice mutaciones en el ADN, y probablemente es algo mucho más frecuente de lo que se pensaba
Nuestras células se están duplicando constantemente. En cada duplicación se hace una copia del material genético, el ADN que contiene la receta para fabricar el ser que somos, y a veces, en este proceso se producen mutaciones. Lo habitual es que nuestro sistema inmunitario detecte estas células mutadas como defectuosas o ajenas, y las destruya. Cuando el proceso de limpieza falla, puede aparecer un cáncer.
Pero ¿qué produce estas mutaciones, estos fallos en la duplicación? Se sabe que la radiación, que desestabiliza los átomos que forman el ADN, es un factor importante, pero no es el único. Un análisis teórico de los enlaces dentro del ADN sugiere que los efectos cuánticos pueden producir mutaciones con mucha más frecuencia de lo que se pensaba, según lo publicado en un estudio de la Universidad de Surrey, en el Reino Unido.
Los investigadores han partido de un modelo cuántico del par de bases citosina-guanina, dos de las cuatro presentes en el ADN. Hasta ahora, la mayoría de los expertos asumían que los efectos cuánticos desempeñan un papel insignificante en la célula. Sin embargo, en este estudio se ha visto que el efecto túnel hace mucho más probable que aparezca una forma alternativa de este par de bases, conocida como tautómero, con enlaces alterados.
En determinadas circunstancias, un par de bases tautoméricas altera la secuencia genética en este punto, por lo que el efecto cuántico hace que las mutaciones sean más frecuentes. El resultado podría tener consecuencias de gran alcance para explicar las mutaciones genéticas.
El efecto túnel y los tautómeros
El efecto túnel es uno de los más conocidos efectos de la mecánica cuántica. Ocurre cuando una partícula viola los principios de la mecánica clásica y atraviesa una barrera de potencial mayor que su energía cinética. Es como si una persona capaz de saltar una valla de un metro corre hacia una valla de cinco metros, salta y aparece al otro lado.
Este efecto, imposible en el mundo macroscópico, es habitual en el mundo de las partículas subatómicas, hasta el punto de que desde hace años se emplea en los semiconductores que contienen todos nuestros dispositivos electrónicos.
En el caso de las mutaciones en el ADN, las formas tautoméricas aparecen cuando los protones del enlace de hidrógeno se desplazan cada uno hacia el compañero del enlace opuesto. El ADN es muy sensible a la posición de los protones cuando se duplica. Si se ha formado el tautómero de un par de bases, la citosina no se une a una nueva guanina, sino a la adenina (otra base química del ADN que forma par con la timina) debido a los enlaces reordenados. Por lo tanto, se produce una mutación en la nueva hebra de ADN.
El hecho de que el efecto túnel pudiera dar lugar a pares de bases tautoméricas también se había descrito ya teóricamente. Sin embargo, debido a la brevísima duración de estos estados cuánticos, antes se consideraba improbable que los efectos cuánticos fueran relevantes para la biología, y se asumió que los tautómeros volverían a la forma normal demasiado rápido para sobrevivir a las escalas de tiempo de la replicación del ADN.
El ADN es muy sensible a la posición de los protones cuando se duplica
Sin embargo, los investigadores sostienen que es precisamente la velocidad de los procesos cuánticos lo que hace que la formación de tautómeros sea relevante. El proceso mecánico cuántico es tan rápido que se alcanza un equilibrio térmico en el que, aproximadamente, uno de cada 5.000 pares de bases es un tautómero. Este valor está muy por encima de la tasa media de mutación del genoma humano, en el que se producen unas 25 mutaciones nuevas por cada mil millones de pares de bases en cada generación.
Por otro lado, esto abre la posibilidad de que existan mecanismos de reparación específicos para este tipo de errores, que aún no se han descubierto. Otra cuestión es que estas mutaciones por efectos cuánticos puedan tener ventajas evolutivas, por ejemplo, porque una mayor tasa de mutación facilite las adaptaciones, o, simplemente, porque se trate de un accidente de la evolución.
REFERENCIA
An open quantum systems approach to proton tunnelling in DNA
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