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Quantenmechanik: Tunneleffekt macht DNA instabiler

Ein bisher nur theoretisch vorhergesagter Quanteneffekt erzeugt Mutationen - und er ist wohl weit häufiger als gedacht. Unklar ist aber noch, wie groß seine Bedeutung wirklich ist.
Beim Vervielfältigen des Erbguts entstehen manchmal spontane Mutationen.

Eine theoretische Analyse der Bindungen innerhalb der DNA legt nahe, dass Quanteneffekte in der DNA weit häufiger Mutationen erzeugen können als gedacht. Das berichtet eine Arbeitsgruppe um Louie Slocombe von der University of Surrey auf Basis eines quantenmechanischen Modells des gebundenen Basenpaares Cytosin-Guanin. Bisher waren die meisten Fachleute davon ausgegangen, dass Quanteneffekte in der Zelle eine vernachlässigbare Rolle spielen. Wie jedoch die Gruppe in »Communications Physics« berichtet, macht der Tunneleffekt eine alternative, als tautomer bezeichnete Form dieses Basenpaares mit veränderten Bindungen deutlich wahrscheinlicher. Unter bestimmten Umständen verändert ein tautomeres Basenpaar die Erbgutsequenz an diesem Punkt, so dass der Quanteneffekt Mutationen häufiger macht. Das Resultat könne weit reichende Konsequenzen für gegenwärtige Modelle genetischer Mutationen haben, schreibt das Team.

Dass Basenpaare theoretisch tautomere Formen mit anders angeordneten Bindungen bilden können, ist seit der Entschlüsselung der DNA-Struktur bekannt. Sie entstehen, wenn sich die Protonen der Wasserstoffbrückenbindung jeweils zum gegenüberliegenden Bindungspartner verlagern. Die DNA ist sehr empfindlich gegenüber der Position der Protonen, wenn sie sich verdoppelt. Hat sich das Tautomer eines Basenpaares gebildet, bindet das Cytosin nicht an ein neues Guanin, sondern wegen der umgebauten Bindungen an Adenin. So entsteht im neu gebildeten Strang eine Mutation.

Auch dass der Tunneleffekt tautomere Basenpaare entstehen lassen könnte, war bereits theoretisch beschrieben worden. Wegen der sehr geringen Lebensdauer solcher Quantenzustände galt es bisher aber als unwahrscheinlich, dass Quanteneffekte für die Biologie relevant sind. Deshalb ging man davon aus, dass die Tautomere zu schnell wieder in die normale Form zurückfallen, um über die Zeitskalen der DNA-Replikation zu überleben. Slocombe und sein Team argumentieren jedoch, dass gerade die Schnelligkeit der Quantenprozesse dafür sorgt, dass die Tautomere relevant sind.

Laut seiner Analyse ist der quantenmechanische Prozess so schnell, so dass sich ein thermisches Gleichgewicht einstellt, in dem etwa eines von 5000 Basenpaaren als Tautomer vorliegt. Das ist weit mehr als die durchschnittliche Mutationsrate des menschlichen Genoms, in dem in jeder Generation etwa 25 Mutationen pro Milliarde Basenpaare neu auftreten. Deswegen vermuten die Fachleute zum einen, dass diese quantenmechanische Instabilität der DNA eine große Bedeutung für die Mutationsrate hat.

Zum anderen eröffnet das die Möglichkeit, dass es spezifische Reparaturmechanismen für diese Sorte von Fehlern gibt. Eine weitere offene Frage ist, ob es womöglich evolutionäre Vorteile bietet, dass die DNA Mutationen durch tautomere Basenpaare erlaubt – zum Beispiel weil eine erhöhte Mutationsrate Anpassungen erleichtert –, oder ob es einfach ein Unfall der Evolution ist, dass der genetische Code quantenmechanisch instabil ist.

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