DNA, merupakan materi genetik yang bereplikasi dengan ketepatan luar biasa mencengangkan. Selama jutaan tahun, replikasi DNA telah berkembang menjadi sangat efisien, jarang membuat kesalahan karena mekanisme “pemeriksaan” dan “perbaikan” tertentu ada untuk mencegah mutasi yang berpotensi merugikan.
Dengan menggunakan pemodelan komputer yang canggih, tim fisikawan dan ahli kimia di University of Surrey telah menunjukkan bahwa kesalahan penyalinan seperti itu dapat muncul karena aturan aneh dalam dunia kuantum.
Dua untai heliks ganda DNA yang dihubungkan bersama oleh partikel subatomik yang disebut proton — inti atom hidrogen — yang menyediakan semacam lem yang merekatkan berbagai molekul yang disebut pasangan basa. Apa yang disebut ikatan hidrogen ini seperti anak tangga melingkar yang membentuk struktur heliks ganda.
Para peneliti, telah menunjukkan bahwa modifikasi dalam ikatan antara untaian DNA ini jauh lebih lazim daripada yang diperkirakan sampai sekarang. Proton dapat dengan mudah melompat dari tempat biasanya di satu sisi penghalang energi untuk mendarat di sisi lain. Jika ini terjadi tepat sebelum kedua untai dibuka ritsletingnya pada langkah pertama proses penyalinan, maka kesalahan dapat melewati mesin replikasi di dalam sel, yang mengarah pada apa yang disebut ketidakcocokan DNA dan berpeluang untuk terjadi mutasi.
Dalam sebuah makalah yang diterbitkan di jurnal Communications Physics, para peneliti dari University of Surrey menggunakan pendekatan yang disebut sistem kuantum terbuka, untuk menentukan mekanisme fisik yang mungkin menyebabkan proton melompat di antara untaian DNA. Namun, yang paling menarik, berkat mekanisme kuantum yang disebut tunneling — ibarat hantu yang menembus tembok — mereka berhasil melewatinya.
Sebelumnya telah diperkirakan bahwa perilaku kuantum seperti itu tidak dapat terjadi di dalam lingkungan sel hidup yang hangat, basah, dan kompleks. Namun, fisikawan Austria Erwin Schrödinger telah menyarankan dalam bukunya tahun 1944 “What is Life?” bahwa mekanika kuantum dapat berperan dalam sistem kehidupan karena berperilaku agak berbeda dari benda mati. Karya terbaru ini tampaknya mengkonfirmasi teori Schrödinger.
Dalam studi mereka, penulis menentukan bahwa lingkungan seluler lokal menyebabkan proton, yang berperilaku seperti gelombang menyebar, diaktifkan secara termal dan didorong melalui penghalang energi. Faktanya, proton ditemukan terus menerus dan sangat cepat bergerak maju mundur di antara dua untaian DNA. Kemudian, ketika DNA terbagi menjadi untaian terpisah, beberapa proton terperangkap di sisi yang tidak semestinya dan menyebabkan kesalahan.
“Para ahli biologi biasanya memperkirakan bahwa tunneling memainkan peran penting hanya pada suhu rendah dan dalam sistem yang relatif sederhana” kata Dr. Marco Sacchi. “Oleh karena itu, mereka cenderung mengabaikan efek kuantum dalam DNA. Dengan penelitian kami, kami yakin kami telah membuktikan bahwa asumsi ini benar. tidak tahan.”
“Watson dan Crick berspekulasi tentang keberadaan dan pentingnya efek mekanika kuantum dalam DNA lebih dari 50 tahun yang lalu, namun mekanisme tersebut sebagian besar telah diabaikan,” kata Profesor Jim Al-Khalili dalam sebuah pernyataan.
DNA memiliki struktur heliks ganda – dua untai kode genetik yang mengandung empat basa kimia, Thymine (T), Adenine (A), Guanine (G), dan Cytosin (C). Basa kimia ini memiliki cara yang sangat spesifik dalam berinteraksi dan mengikat satu sama lain: T selalu terikat pada A, sedangkan G selalu terikat pada C.
“Proton dalam DNA dapat menembus sepanjang ikatan hidrogen dalam DNA dan memodifikasi basa yang mengkodekan informasi genetik. Basa yang dimodifikasi disebut ‘tautomer’ dan dapat bertahan dari pembelahan DNA dan proses replikasi, menyebabkan ‘kesalahan transkripsi’ atau mutasi” kata Dr. Louie Slocombe, yang melakukan perhitungan ini selama PhD-nya.
Temuan ini menunjukkan bahwa quantum tunnelling memainkan peran penting dalam mutasi DNA, dan mungkin mengubah pemahaman kita dan memiliki konsekuensi luas pada model genetik mutasi di masa depan.
