En los seres vivos, la información para construir proteínas, y por tanto tejidos y órganos, está codificada en una secuencia de moléculas —apodadas con las letras ATCG— en el ADN. Este código es tremendamente estable; sin embargo, constantemente ocurren cambios o mutaciones. Estos cambios se convierten en errores durante la replicación y la lectura del mensaje, lo que finalmente afecta la proteína final que se suponía que la célula debía producir a partir de la información original. Las consecuencias de las mutaciones pueden variar desde cero hasta fatales, según el papel o la función que desempeñe la proteína en el organismo.
Las mutaciones pueden ocurrir a través de agentes mutagénicos como la radiación de fuentes naturales o artificiales (el Sol o dispositivos de rayos X) o productos químicos. Pero algunas mutaciones no parecen tener un agente mutagénico; son “espontáneos”. ¿Cómo se producen las mutaciones espontáneas? Un equipo del Reino Unido de la Universidad de Surrey determinó que un fenómeno de mecánica cuántica llamado efecto túnel juega un papel importante.
Efecto túnel o el efecto túnel se produce cuando una partícula subatómica, en este caso un protón, atraviesa una barrera de energía, penetrándola y apareciendo del otro lado; una situación clásicamente imposible de suceder. Sería algo así como una pelota de tenis cruzando un muro de hormigón en lugar de saltar sobre él.
Esto sucede a escalas subatómicas porque las partículas subatómicas también son ondas, y las ondas pueden reflejarse en una barrera y transmitirse parcialmente al otro lado de la barrera.
Muchos fenómenos atómicos se explican por túneles, como algunas desintegraciones radiactivas. La electrónica, los semiconductores y las nanotecnologías deben tener en cuenta el efecto túnel para funcionar.
Cómo la tunelización podría cambiar el código de ADN
Una cadena doble de ADN se construye sobre enlaces de hidrógeno (en la figura representada por la línea de puntos), que son mucho menos fuertes que un enlace covalente químico habitual en moléculas orgánicas. El enlace de hidrógeno se forma entre «letras» específicas; como todos sabemos: G (Guanina) siempre está unida a C (Citosina) y A (Adenina) a T (Timina).
Siempre que se emparejen de esta manera, el código tiene la posibilidad de ser replicado y transmitido de manera infalible. Sin embargo, a veces el protón del hidrógeno en uno de los enlaces de hidrógeno pasa de una molécula a otra por efecto túnel; es decir, un hidrógeno de G a C y otro de C a G. En este caso, G se transforma en G* y C en C*. G* y C* son las versiones “tautoméricas” de las originales G y C (que se muestran en la siguiente figura).
Si el ADN se abre para la replicación cuando cualquier par GC ha cambiado a G*-C*, G* y C* pueden confundirse con las otras moléculas; por lo tanto: T piensa que G* es una A y A piensa que C* es una T, formando nuevos pares: G*-T y C*-A, creando errores en el código y por lo tanto una mutación.
Una discusión de larga data
No es ninguna novedad que la mecánica cuántica desempeñe un papel en la biofísica molecular: la mayoría de los procesos químicos que involucran enlaces entre átomos son de naturaleza mecánica cuántica. Sin embargo, los mecanismos de las contribuciones cuánticas a los procesos biológicos suelen ser difíciles de desentrañar.
Los tautómeros en el código como fuente de mutaciones han sido controvertidos. La razón es que el mecanismo de «tautomerización» en el ADN, que requiere una doble transferencia de hidrógeno, aún no está claro.
En el nuevo artículo científico (acceso abierto), el equipo dirigido por Jim Al-Khalili argumenta que el proceso de doble túnel se lleva a cabo tan rápido que el mecanismo para lograr la doble transferencia de hidrógeno no es relevante en las escalas de tiempo del proceso celular.
Además, descubrieron que los protones en los enlaces de hidrógeno se intercambian de un lado a otro entre las moléculas del ADN a una velocidad tan alta que es muy probable que los errores en el código en la separación de la doble cadena y durante la replicación provengan de los tautómeros.
Las mutaciones no solo son responsables de las enfermedades, sino también de la diversidad y la evolución. Comprender la física de las mutaciones puede ayudarnos a comprender nuestro origen.
Referencias
Slocombe, L., Sacchi, M. y Al-Khalili, J. (2022). Un enfoque de sistemas cuánticos abiertos para la tunelización de protones en el ADN. Física de las Comunicaciones, 5(1). https://doi.org/10.1038/s42005-022-00881-8
Loewe, L. (2008) Mutación genética. Educación en la naturaleza 1(1):113
Carlin, JL (2011) Las mutaciones son la materia prima de la evolución. Conocimiento de la educación de la naturaleza 3 (10): 10
