DNA Kuantum Fiziğiyle Neden ve Nasıl Mutasyona Uğrar?

İçerik Yazarı: Zeynep Çevik

Editör: Azize Eda Taşkın

Tasarım: Ezgi Aslan

İlk bakışta DNA ile kuantum mekaniği kavramı, bu konularla ilgili değilseniz biraz alakasız gelebilir; fakat ikisi sanıldığından çok daha derin bir ilişki içindedir. Vücudumuzdaki her molekül atomlardan oluşur: organeller, hücreler, nükleik asitler, karbonhidratlar… Bu sebeple atomlarda meydana gelen bir değişiklik molekülü dönüştürebilir eğer değişen molekül DNA ise mutasyonlara zemin hazırlayabilir.

Bilindiği üzere Adenin Timin ile, Guanin ise Sitozin ile eşleşir. Ancak DNA eşlenirken bazı yanlış eşleşmeler (mismatch) oluşabilir ve Watson-Crick baz eşleşmesi bozulabilir. Bu hata oranı yaklaşık 10⁻⁵ ile 10⁻⁶ arasındadır. Hücre bu oranı, çeşitli düzeltme mekanizmaları sayesinde 10⁻⁹ düzeyine kadar indirir.

Peki bu mutasyonlar en başında neden ortaya çıkar? Bu sorunun birden fazla cevabı olmakla birlikte, bu yanlış eşleşmelerin bir sebebi tautomerik kayma (tautomeric shift) yüzünden oluşur. Tautomer; bir molekülde proton yer değiştirmesi sonucunda ortaya çıkan, aynı molekülün farklı kimyasal yapısal izomeridir. DNA'daki tautomerik kayma ise hidrojen bağlarındaki protonların karşılıklı olarak tünelleme yoluyla yer değiştirmesi (çift proton transferi) sonucu nitrojenli bazların (Adenin, Timin, Guanin, Sitozin) kimyasal formunun değişmesidir. Günümüzde yapılan çalışmalar, bu proton hareketinin oluşmasında proton tünellemesinin ve bazı durumlarda çift proton transferinin rol oynayabileceğini göstermektedir.

Bu spontane proton yer değiştirmesi proton tünelleme olarak adlandırılır. Klasik fizikte bir kimyasal değişimin gerçekleşebilmesi için atomların belirli bir aktivasyon enerjisi eşiğini aşması gerekir. Ancak proton tünellemede, proton dalga-parçacık dualitesinin sağladığı kuantum özelliğini kullanarak bu enerji eşiğini aşmadan tünel etkisiyle yer değiştirir ve molekülün kimyasal özelliğini değiştirir.

Bu durum, DNA replikasyonu sırasında kritik bir sorun yaratır: DNA polimeraz enzimi yeni bir nükleotid ekleyeceği sırada, tautomerik kaymaya uğramış bir baz farklı bir baz gibi "algılanır." Daha somut bir örnekle açıklamak gerekirse; normalde Timin ve Guanin, bu proton hareketi nedeniyle keto formundan enol formuna geçerken, Adenin ve Sitozin amino formundan imino formuna geçer. İşte bu anlık kimyasal dönüşüm yüzünden polimeraz, Guaninin karşısına Sitozin yerine Timin yerleştirebilir.

Ancak bu durumun mutasyona dönüşmesi için DNA’nın proofreading ve mismatch repair mekanizmaları tarafından düzeltilmemesi gerekir ki çoğu hata bu sistemler tarafından ortadan kaldırılır.

DNA Kuantum Fiziğiyle Nasıl Mutasyona Uğrar?

Kuantum mekaniği deyince akla hemen parçacık fiziği gelir ama aslında şu an vücudunuzdaki her hücrede de işliyor.DNA kopyalanırken Adenin-Timin, Guanin-Sitozin kuralına göre eşleşme yapılır. Bu süreç inanılmaz derecede hassastır ancak mükemmel değildir. DNA polimerazın hata oranı 10⁻⁵ ile 10⁻⁶ civarındadır. Hücrenin düzeltme mekanizmaları bunu 10⁻⁹ düzeyine indirir. Peki bu hatalar ilk etapta neden oluşur?Bunun büyük sebeplerinden biri proton tünelleme adı verilen kuantum olgusundan dolayıdır. DNA'daki bazlar (A, T, G, C) kimyasal olarak kararlı formlarında bulunur. Ancak zaman zaman bir hidrojen atomu ,tek bir proton, kendiliğinden yer değiştirebilir. Klasik fizikte bunun olabilmesi için atomun bir enerji bariyerini aşması gerekir. Proton tünellemede ise proton, bu bariyeri aşmak yerine kuantum dalgası özelliğini kullanarak bariyerin içinden geçer.Bu geçiş bazın kimyasal formunu değiştirerek polimerazın karşısına yanlış baz eklemesine sebep olur. Bu form değişikliğine tautomerik değişim denir.Bu formlar yalnızca mikrosaniyeler içinde geri döner ama DNA polimeraz tam o anda yeni nükleotid ekleyecekse bu süre yeterlidir. Polimeraz tautomerik formdaki bazı yanlış tanır ve karşısına hatalı nükleotid yerleştirir. Bir sonraki replikasyonda bu hata kalıcı hale gelir.Tek bir protonun kuantum sıçraması; bazen anlamsız bir nükleotid değişimi, bazen kalıcı bir mutasyona sebebiyet verebilir.