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"Pourquoi l’ADN mute-t-il spontanément ? La physique quantique pourrait l’expliquer : un phénomène appelé ’tunnel de protons’ pourrait expliquer les mutations ponctuelles des brins de matériel génétique." par Nicoletta Lanese

Traduction & Compléments par Jacques Hallard

lundi 22 mars 2021, par Lanese Nicoletta


ISIAS Physique Biologie

Pourquoi l’ADN mute-t-il spontanément ? La physique quantique pourrait l’expliquer : un phénomène appelé ’tunnel de protons’ pourrait expliquer les mutations ponctuelles des brins de matériel génétique.

Traduction du 19 mars 2021 par Jacques Hallard de l’article
de Nicoletta Lanese, LiveScience publié le 17 mars 2021 par ‘scientificamerican.com’ Physics sous le titre « Why Does DNA Spontaneously Mutate ? Quantum Physics Might Explain  » ; accessible sur ce site : https://www.scientificamerican.com/article/why-does-dna-spontaneously-mutate-quantum-physics-might-explain/

Voir tout d’abord l’animation de la publication d’origine :

Deux protons, représentés en blanc, sont montrés sautant entre les nucléobases guanine (à gauche) et cytosine (à droite), qui forment une paire de bases à l’intérieur des brins d’ADN. (Crédit image : Louie Slocombe, Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Centre) – In Why does DNA spontaneously mutate ? Quantum physics might explain. By Nicoletta Lanese - Staff Writer - Source : https://www.livescience.com/quantum-physics-dna-mutations.html

Crédit : Getty Images

La mécanique quantique, qui régit le monde du tout petit, pourrait expliquer pourquoi des mutations génétiques apparaissent spontanément dans l’ADN lorsqu’il se copie, selon une étude récente.

La mécanique quantique décrit les règles étranges qui régissent les atomes et leurs composants subatomiques. Lorsque les règles de la physique classique, qui décrivent le grand monde, s’effondrent, la mécanique quantique intervient pour les expliquer. Dans le cas de l’ADN, la physique classique permet d’expliquer pourquoi des changements peuvent soudainement apparaître sur un seul échelon de l’échelle en spirale de l’ADN, entraînant ce que l’on appelle une mutation ponctuelle.

Dans une étude récente, publiée le 29 janvier 2021 dans la revue Physical Chemistry Chemical Physics, les chercheurs explorent une autre explication, montrant qu’un phénomène quantique appelé ’tunnel de protons’ peut provoquer des mutations ponctuelles en permettant aux protons chargés positivement de l’ADN de sauter d’un endroit à l’autre. Ce phénomène peut à son tour modifier subtilement les ponts hydrogène ou liaisons hydrogène, qui relient les deux côtés de la double hélice de l’ADN, ce qui peut entraîner des erreurs lorsque l’ADN doit faire des copies de lui-même.

En particulier, ce changement subtil peut potentiellement provoquer des erreurs d’impression dans la séquence d’ADN, où les mauvaises ’lettres’ sont appariées lorsque le brin se réplique, notent les auteurs de l’étude. Ces lettres, appelées bases azotées, (ou bases nucléiques, voire nucléobases), s’associent généralement d’une certaine manière : A et T et G et C. Mais l’effet tunnel des protons pourrait entraîner l’association de certaines bases.

’De nombreux travaux de calcul ont porté sur la liaison hydrogène [et] le transfert de protons dans les paires de bases de l’ADN’, a déclaré Sam Hay, professeur de chimie théorique et informatique à l’université de Manchester en Grande Bretagne, qui n’a pas participé à l’étude. ’Cet article utilise des calculs de très haut niveau pour réexaminer ce phénomène’, a-t-il déclaré à ‘Live Science’ dans un courriel.

Cependant, en raison des calculs utilisés, les auteurs n’ont pu modéliser que de petites portions d’un brin d’ADN, au niveau des bases individuelles et des paires de bases. Cela signifie que le modèle n’inclut pas les deux côtés de la double hélice d’ADN, ni les paires situées ailleurs dans le brin, a noté Hay. Ces structures proches peuvent avoir un ’effet significatif’ sur le déroulement de l’effet tunnel des protons, mais la modélisation de l’ensemble du brin d’ADN aurait nécessité une énorme puissance de calcul, a-t-il ajouté.

’Nous devrons peut-être attendre que la puissance de calcul ou la méthodologie s’améliore encore avant de pouvoir traiter cette question’, a-t-il ajouté.

Classique contre quantique

La physique classique permet également d’expliquer pourquoi les protons sautent dans l’ADN.

Les paires de bases de l’ADN sont reliées en leur milieu par des liaisons hydrogène - une attraction relativement faible entre les atomes d’hydrogène et les molécules des bases. Ces liaisons peuvent être rompues par la chaleur, car lorsque la température augmente, les molécules vibrent et s’agitent vigoureusement, faisant sauter les atomes d’hydrogène.

’Tout est dynamique et en mouvement’, explique Louie Slocombe, coauteur de l’étude et doctorant au ‘Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training’ du Centre de l’université du Surrey, en Angleterre [voir https://www.surrey.ac.uk/leverhulme-quantum-biology-doctoral-training-centre ]. Les atomes s’agitent à toute température supérieure au zéro absolu, car la chaleur augmente leur énergie cinétique, ou mouvement, a-t-il expliqué.

Selon la thermodynamique classique, ce remue-ménage permet parfois aux atomes d’hydrogène de sauter dans de nouvelles positions dans l’ADN, forgeant brièvement de nouvelles liaisons. Mais les atomes reviennent rapidement à leur emplacement d’origine ; en raison de la structure moléculaire des bases de l’ADN, les atomes d’hydrogène ont tendance à s’installer dans une position plutôt ’stable’ entre les paires, où ils passent la plupart de leur temps, et ne s’échappent que brièvement vers des positions inhabituelles, ’instables’.

Les atomes d’hydrogène ne contiennent qu’un proton, un électron de charge négative et aucun neutron. Lors de la formation de l’ADN, ces atomes ’perdent’ leur électron au profit d’une base de la paire lorsqu’ils forment une liaison. Donc, en fait, lorsque les atomes d’hydrogène sautent d’un côté d’un brin d’ADN à l’autre, ils se déplacent comme un seul proton, d’où le fait que les scientifiques appellent ce phénomène ’transfert de protons’, selon un rapport de 2014 publié dans la revue Accounts of Chemical Research.

Mais selon la nouvelle étude, le transfert de protons classique ne rend pas compte de tous les cas où les protons rebondissent dans l’ADN.

’Essentiellement, ce que nous constatons, c’est que la quantité de ce phénomène [qui se produit] simplement par le biais de la thermodynamique classique est très faible, par rapport à ce qui se passe lorsque nous calculons les taux quantiques’, a déclaré M. Slocombe. En d’autres termes, l’effet tunnel des protons entraîne probablement plus de sauts de protons que la chaleur seule, a-t-il ajouté.

Sauter la barrière

L’effet tunnel des protons repose sur le principe quantique d’incertitude ou principe d’incertitude de Heisenberg, qui ne s’applique pas au ‘grand monde’. Par exemple, dans le monde des grandes choses, on peut être certain à la fois de l’emplacement d’un train et de la vitesse à laquelle il roule, et en utilisant ces informations, on peut prédire quand ce train doit arriver à la prochaine station.

Toutefois, lorsqu’il s’agit de particules subatomiques, leur emplacement et leur vitesse exacts ne peuvent être calculés en même temps ; les scientifiques ne peuvent se faire qu’une vague idée de ce que fait une particule, en calculant la probabilité qu’elle apparaisse à un certain endroit, en se déplaçant à une certaine vitesse. Dans le contexte de l’effet tunnel du proton, les scientifiques peuvent calculer la probabilité qu’un proton se trouve dans une position ou une autre - et théoriquement, ce proton a une probabilité non nulle de se trouver littéralement n’importe où dans l’univers.

Cela signifie que les particules peuvent franchir des barrières qu’elles ne devraient apparemment pas pouvoir franchir, et parfois même sauter à travers des murs, a rapporté la revue Live Science.

Pour prédire quand et où le transfert de protons pourrait se produire dans l’ADN, l’équipe a déterminé la quantité d’énergie nécessaire pour que les particules quittent leur position ’stable’ et passent à une position ’instable’. Ce seuil est connu sous le nom de ’barrière énergétique’, (ou barrière d’énergie qui correspond à l’énergied’activation) et l’énergie nécessaire pour revenir à l’état stable est la ’barrière inverse’.

L’équipe a constaté que la barrière d’énergie pour le transfert classique de protons, sous l’effet de la chaleur, est assez élevée par rapport à celle du transfert de protons par effet tunnel. La vitesse prédite de l’effet tunnel des protons dépasse tellement celle du transfert classique que, sans tenir compte de l’effet tunnel, la probabilité qu’un proton saute vers la base d’ADN opposée serait ’très, très proche de zéro’, a déclaré Slocombe.

’Dans les limites des calculs des auteurs, il semble que l’effet tunnel joue un rôle modeste [à] assez important pendant le transfert de protons’ entre les bases d’une paire, a déclaré Hay à ‘Live Science’.

L’équipe a également constaté que la barrière inverse pour le passage des protons par effet tunnel entre les paires A-T était beaucoup, beaucoup plus faible que pour les paires G-C. Cela signifie que, dans le cas où un proton passe par effet tunnel du côté A au côté T d’une paire, par exemple, ’il reviendrait instantanément en arrière’, a déclaré Slocombe ; la barrière inverse est si faible que le proton reviendrait facilement à son état stable.

’Alors que pour G-C, la barrière inverse est plutôt importante, ce qui signifie que l’état est quelque peu stable pendant une longue période’, a déclaré Slocombe. Ainsi, une fois qu’un proton a franchi la barrière énergétique d’une paire G-C, il peut rester dans sa position instable pendant un certain temps. Si cela se produit juste avant le début de la réplication de l’ADN, le proton peut rester coincé du ’mauvais côté’ du brin, a expliqué M. Slocombe.

En effet, pour se copier, l’ADN doit d’abord se ‘dézipper’, en rompant les liens entre les paires de bases. Une enzyme appelée polymérase intervient alors et commence à insérer de nouvelles bases dans les fentes ouvertes, comme des pièces de puzzle. Le problème est que, lorsque la polymérase rencontre un proton dans une position instable, elle peut finir par sélectionner la mauvaise pièce de puzzle pour la base attachée. Par exemple, un proton peut sauter sur un G, et lorsque la polymérase passe, l’enzyme attache un T plutôt qu’un C et ne s’aperçoit pas de l’erreur.

La question à un million de dollars

Ce type d’erreur dans la réplication de l’ADN a été observé pour la première fois par le biologiste James Watson et le physicien Francis Crick, qui ont mené certaines des premières études sur l’ADN, selon le manuel “An Introduction to Genetic Analysis” (W. H. Freeman, 2000). La nouvelle étude montre que l’effet tunnel des protons, plus que la thermodynamique, pourrait être responsable de ces mutations.

Ainsi, ’juste avant le processus de scission, vous avez un moment de vulnérabilité, où cet effet quantique, qui normalement n’aurait aucune importance, est maintenant non trivial’, a déclaré Slocombe.

Les mutations ponctuelles qui peuvent résulter de ces erreurs pourraient être sans conséquence, ne provoquant aucun changement dans la façon dont les cellules fonctionnent ou construisent les protéines ; mais elles pourraient aussi être dévastatrices, contribuant à des maladies telles que l’anémie falciforme [ou drépanocytosea, également appelée hémoglobinose S, et autrefois sicklémie, une maladie génétique résultant d’une mutation sur le gène codant l’hémoglobineSource], et certains types de cancer, comme le cancer du poumon non à petites cellules, ont déclaré les chercheurs. Dans certains cas, les mutations ponctuelles peuvent également être bénéfiques.

Malgré cela, les scientifiques ne savent toujours pas combien de temps un proton doit rester dans sa position instable pour qu’une telle mutation ponctuelle se produise réellement, a noté M. Hay. Et encore, la nouvelle étude n’a modélisé qu’une petite partie du brin d’ADN, et le système entier doit être modélisé pour comprendre combien de fois le tunnel de proton se produit, a-t-il dit.

Slocombe et ses collègues s’efforcent maintenant de modéliser l’environnement plus vaste qui entoure les paires de bases ; de cette façon, ils pourront commencer à comprendre comment la physique quantique et la physique classique s’attaquent à l’ADN et entraînent le saut de protons par différents mécanismes. Cette ligne de recherche devrait contribuer à révéler quelles conditions rendent le transfert de protons plus susceptible de se produire et à quelle fréquence le phénomène déclenche des mutations génétiques nuisibles.

’C’est la question à un million de dollars’, a déclaré Slocombe.

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Traduction, compléments et intégration de liens hypertextes par Jacques HALLARD, Ingénieur CNAM, consultant indépendant – 19/03/2020

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