Powstaje pytanie, czy jest to skutek zbiorowego zachowania cząsteczek, czy może kryje się za nim coś znacznie bardziej niezwykłego.

Podwójna helisa DNA jest jednym z najbardziej rozpoznawalnych symboli współczesnej nauki. Zwykle myślimy o niej jako o instrukcji budowy organizmu, zapisanej za pomocą czterech liter genetycznego alfabetu. Tymczasem DNA jest również obiektem fizycznym: zawiera ładunki elektryczne, oddziałuje z otoczeniem i reaguje na zmiany temperatury czy pola magnetycznego.

Szczególnie ważna jest otaczająca je woda. Cząsteczki znajdujące się najbliżej podwójnej helisy nie poruszają się zupełnie przypadkowo. Pod wpływem oddziaływań elektrycznych i wiązań wodorowych mogą tworzyć częściowo uporządkowane struktury. Wykazano nawet, że w jednym z rowków helisy układają się w charakterystyczny spiralny łańcuch. Ta wodna otoczka wpływa na stabilność i właściwości DNA. Czy jednak mogłaby również zachowywać się jak jeden współpracujący układ, a nie tylko zbiór niezależnych cząsteczek?

Tę możliwość bada prof. Mariusz Pietruszka z Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach. Wyniki swoich najnowszych doświadczeń opublikował w czasopiśmie Scientific Reports.

Badacz przygotował roztwór zawierający DNA wyizolowane z jęczmienia. Niewielką kroplę umieścił na specjalnym układzie elektrod, tworząc bardzo cienką warstwę cieczy. Następnie przyłożył niewielkie napięcie elektryczne i obserwował odpowiedź próbki w obecności pola magnetycznego.

W jednym z eksperymentów przez około dziesięć minut utrzymywał niezmienione warunki pomiaru. Można było oczekiwać, że mierzony sygnał będzie pozostawał mniej więcej stały, z niewielkimi przypadkowymi wahaniami. Tymczasem pojawiły się w nim wyraźne, nagłe zmiany. W innym doświadczeniu okazało się, że wystarczy niewielka zmiana temperatury, aby odpowiedź elektryczna gwałtownie się zmieniła. W pobliżu 15 st. C mierzone napięcie zmieniło nawet znak, z dodatniego na ujemny.

Aby dokładniej zbadać to zachowanie, naukowiec przeanalizował matematycznie przebieg sygnału, szukając w nim charakterystycznych wzorców. Okazało się, że zamiast płynnych, przypadkowych zmian można wyróżnić poziomy, między którymi następują gwałtowne przeskoki. Przypomina to kulkę znajdującą się w jednym z dwóch zagłębień. Może ona przez dłuższy czas pozostawać w wybranym miejscu, a następnie pod wpływem zaburzenia przeskoczyć do drugiego. W fizyce takie względnie trwałe konfiguracje nazywa się stanami metastabilnymi. Analiza statystyczna wykazała, że dwa wyróżnione poziomy sygnału po odpowiednim przekształceniu matematycznym lepiej opisują dane niż jeden stan z przypadkowymi wahaniami.

Co mogłoby odpowiadać za takie zachowanie? Jedną z możliwości jest zbiorowe oddziaływanie cząsteczek wody i związanych z nimi protonów. Można to porównać do publiczności na stadionie. Każdy człowiek porusza się niezależnie, ale w odpowiednich warunkach wszyscy potrafią wspólnie utworzyć przemieszczającą się falę. Podobnie zmiany zachodzące w jednym miejscu wodnej otoczki DNA mogłyby wpływać na zachowanie jej pozostałych części. Takie zbiorowe zjawiska są dobrze znane w fizyce.

Badacz rozważa jednak również znacznie bardziej niezwykłą możliwość. W matematycznej analizie sygnału pojawiły się skokowe zmiany wielkości zwanej fazą, opisującej przebieg jego wahań. Niektóre z nich przypominają zjawiska znane z fizyki układów kwantowych. Zaproponowany przez autora model prowadzi nawet do charakterystycznej wartości związanej ze strumieniem magnetycznym, występującej także w teorii nadprzewodnictwa.

W nadprzewodnikach prąd elektryczny może płynąć bez oporu, a ogromna liczba cząstek zachowuje się w pewnym sensie jak jeden układ kwantowy. Zwykle wymaga to bardzo niskich temperatur. Gdyby udało się wykazać, że podobna, długotrwała organizacja kwantowa występuje w uwodnionym materiale biologicznym w temperaturach zbliżonych do pokojowej, byłby to przełom. Oznaczałoby to, że delikatne stany kwantowe mogą utrzymywać się w środowisku pełnym chaotycznie poruszających się cząsteczek, które zazwyczaj bardzo szybko niszczą ich wzajemną zgodność. Mogłoby to zasadniczo poszerzyć nasze rozumienie fizyki materii biologicznej i otworzyć nowe możliwości rozwoju bioelektroniki, a być może także technologii wykorzystujących zbiorowe zjawiska kwantowe.

Na razie jednak do takiego odkrycia jeszcze daleko. Podobieństwo matematyczne nie oznacza, że DNA stało się nadprzewodnikiem. Charakterystyczna wartość związana ze strumieniem magnetycznym wynika z założeń modelu, a nie z jej bezpośredniego pomiaru. Również faza, której skoki zidentyfikowano w analizie, opisuje zmierzony sygnał elektryczny, a nie bezpośrednio stan kwantowy cząsteczek.

Eksperyment ujawnił więc interesującą zagadkę: dlaczego układ DNA–woda wykazuje tak uporządkowane, skokowe zmiany odpowiedzi elektrycznej? Czy wystarczą do ich wyjaśnienia znane, klasyczne oddziaływania cząsteczek, czy potrzebny będzie zupełnie inny opis? Rozstrzygnięcie wymaga dalszych doświadczeń, które pozwolą ustalić mikroskopowy mechanizm zjawiska i niezależnie potwierdzić wyniki.

Nie wiemy również, czy podobne zachowanie występuje w żywych komórkach. Jeśli jednak uda się zrozumieć jego przyczynę, może to otworzyć nowe kierunki badań nad właściwościami DNA i otaczającej je wody. Niezależnie od tego, czy odpowiedź okaże się klasyczna, czy kwantowa, podwójna helisa pozostaje nie tylko nośnikiem informacji genetycznej, lecz także fascynującym układem fizycznym, którego wszystkich tajemnic jeszcze nie poznaliśmy.(PAP)

Nauka w Polsce

kmp/ bar/