Ogni mattina dentro Bar Scienza, come sorge il sole, un biologo si sveglia e sa che dovrà scrivere più del fisico o non pubblicherà un articolo. Ogni mattina dentro Bar Scienza, come sorge il sole, un fisico si sveglia e sa che dovrà scrivere più del biologo o non potrà rubargli il lavoro. Ogni mattina dentro Bar Scienza, come sorge il sole, non importa che tu sia fisico o biologo, l’importante è che cominci a scrivere.
Piccolo disclaimer: I fisici spesso tendono a voler dimostrare la superiorità della propria disciplina, argomentando che qualsiasi cosa, se guardata nel profondo, ha un’origine fisica. Ecco, non è questo l’obiettivo di questo articolo, quanto piuttosto quello di parlare di un’ipotesi intrigante e unificante tra due campi che sembrano distanti anni luce.
Quindi, se sei un fisico e sei convinto di poter spiegare perché i koala preferiscono l’eucalipto alle barbabietole usando la meccanica quantistica, ho solo una cosa da dirti:
trovati un hobby
Biologia for dummies (ovvero per fisici)
Ma veniamo a noi. Oggi parliamo di DNA e mutazioni genetiche. Quindi cominciamo con un breve riassunto di quello che può capire un fisico del DNA.
Il DNA è una cosa, sì insomma… una molecola, formata da altre molecole. Quelle che interessano a noi sono le cosiddette basi azotate: la Timina (T), Adenina (A), Guanina (G) e Citosina (C) che costituiscono i lacci che tengono legate le due eliche del DNA e il cui ordine determina il nostro patrimonio genetico.
Queste molecole hanno una caratteristica molto particolare: la complementarità. Questa prevede che solo determinate coppie di basi azotate possano legarsi tra di loro. Nella fattispecie la Timina può legarsi solo con l’Adenina e la Citosina solo con la Guanina.
Essenzialmente le basi azotate sono come pezzi di un puzzle e, si sa, non tutti i pezzi di un puzzle combaciano.
A scuola ci insegnano che durante la replicazione del DNA la doppia elica si apre e le due serie di basi azotate vengono usate come “stampo” per produrre un nuovo segmento di DNA. Talvolta però nella lettura delle basi può avvenire un errore e viene attaccata una base sbagliata, con conseguente comparsa di mutazioni.
Atomi e altre schifezze
Ma perché avvengono gli errori di trascrizione?
Le basi azotate nella doppia elica del DNA sono legate tra di loro tramite il sacro Graal dei legami chimici: il legame a idrogeno. Questo consente, sostanzialmente, il legame tra due molecole grazie all’interazione tra atomi come azoto e ossigeno e un atomo di idrogeno appartenente a una delle due molecole.
Essenzialmente un legame a idrogeno funziona come il tiro alla fune. Le due squadre (le due molecole contenenti atomi di ossigeno e azoto) vogliono la corda (l’atomo di idrogeno) tutto per loro. Entrambe le squadre tirano cercando di avere la meglio sulla squadra avversaria, ma se le forze si equivalgono l’unico risultato è che le due squadre rimarranno legate tramite la corda.
L’origine di alcune mutazioni sta proprio nella posizione dell’atomo di idrogeno. Se questo si trova “più vicino” alla base azotata a cui appartiene allora la lettura va a buon fine e non si creano mutazioni. Al contrario, invece, se “si sposta” dalle parti dell’altra base cominciano i problemi.
In quest’ultima eventualità, una base perde un atomo di idrogeno e una lo guadagna. Le basi che si vengono a formare sono diverse da quelle originali e prendono il nome di forme tautomeriche. Se questo fenomeno avviene durante la replicazione del DNA può succedere che, a causa della diversa forma della base, la lettura venga fatta in modo errato.
Prendiamo per esempio la forma tautomerica di T: questa viene solitamente indicata con T* ed ha una struttura molto simile a quella di C. Così facendo, se non avessimo alcun errore di trascrittura avremmo una coppia T-A, ma a causa dell’errore la coppia sarà T*-G, con un errore che si propagherà a cascata alle successive duplicazioni.
Eppur si muove (od oscilla)
Perché l’atomo di idrogeno può passare da una base all’altra?
La risposta classica è che il nucleo dell’atomo è dotato di energia e di conseguenza di moto.
Immaginiamo che tra l’atomo di azoto di una base e quello di ossigeno di un’altra si trovi una barriera come una collina e che il nucleo dell’atomo di idrogeno si trovi vicino all’atomo di ossigeno. Per far sì che passi vicino all’atomo di azoto, sarà sufficiente dargli abbastanza energia per far sì che possa superare la collina.
Alcuni studi recenti però sembrano indicare che anche una spiegazione meno classica sia possibile.
Dobbiamo infatti tener presente che i nuclei sono particelle e come tutte le particelle obbediscono alle dure e incomprensibili leggi della meccanica quantistica.
Stando alla meccanica quantistica una particella ha degli assi nella manica da giocarsi se vuole superare una barriera. Mentre nella vita di tutti i giorni dobbiamo sforzarci e impiegare energia per superarla, in meccanica quantistica può accadere che una particella ci passi attraverso.
Si tratta dell’effetto tunnel. Se ricordate ne avevamo parlato agli albori di Bar Scienza parlando, tra l’altro, di persone che con le mutazioni hanno una certa familiarità… Gli X-Men (se non ricordate a cosa mi riferisco cliccate qui!).
Stando a questi recenti studi, può succedere, quindi, che, durante la replicazione del DNA, subito prima che la doppia elica si apra, un atomo di idrogeno precedentemente legato ad una base, si leghi, grazie all’effetto tunnel, alla sua complementare modificandone la forma e mettendo quindi a repentaglio la corretta lettura del codice genetico.
A dirla tutta non si tratta di un’idea nuova: il primo a ipotizzare che la meccanica quantistica potesse avere effetti sulla biologia fu Schrödinger e i primi articoli in materia risalgono agli anni ‘60. Ma negli ultimi anni, grazie allo sviluppo dei moderni computer e di nuove e sofisticate tecniche come il machine learning, siamo in grado di avere i primi, promettenti risultati quantitativi… Insomma siamo di fronte ad un vero salto quantico nella comprensione del DNA!
Davide Laudicina
Laureato in Fisica Teorica all’Università di Milano-Bicocca, attualmente dottorando in fisica. Orgogliosamente Nerd, nel tempo libero ho sviluppato una dipendenza da serie TV, fumetti e libri e una malsana attitudine nel perdermi durante escursioni in montagna.
Fonti e Approfondimenti
- Löwdin, P. O. (1963). Proton tunneling in DNA and its biological implications. Reviews of Modern Physics, 35(3), 724.
- Slocombe, Louie et al. “Quantum and classical effects in DNA point mutations: Watson-Crick tautomerism in AT and GC base pairs.” Physical chemistry chemical physics : PCCP (2021).
- Schrodinger, Erwin. What is life? The physical aspect of the living cell. At the University Press, 1951.
