Kwantumbiologie

Quantum physics

Naar aanleiding van een discussie op het evolutieblog van Gert Korthof ontstond een zoektocht naar de rol van kwantummechanica in de biologie. Hierbij is er een probleem. Fysici en biologen lijken elkaar niet goed te verstaan zoals ook aangegeven wordt in een artikel in Nature. De opleiding tot biofysicus verloopt niet in daarvoor opgezette departementen, maar de studenten wisselen van het ene naar het andere departement om wat van fysica, chemie en biologie te leren. Deze stof moet dan geïntegreerd worden.

Schrödinger wees in 1944 in What is life? als eerste op de noodzaak tot het studeren van kwantumbiologie. Daarmee wordt de rol van de kwantummechanica in de biologie bestudeerd. Dit gebeurt veelal in processen als fotosynthese, visie en brownse motors in cellulaire processen om er paar te noemen. Het lijkt erop dat ook microtubulen in neuronen onderhevig zijn aan kwantumfenomenen waarmee het bewustzijn beïnvloed zou worden.

In de discussie op het evolutieblog van Gert Korthof kwam daarentegen de vraag naar voren of ‘kwantumtoeval’ of kwantumfenomenen, die het enige werkelijk bestaande toeval zouden vormen, aan de basis kunnen staan van biologische mutatie, ofwel mutatie van DNA, dat het toeval in de biologie vormt. Het antwoord daarop is ja. In 1963 publiceerde Löwdin een studie naar de rol van proton tunneling. Dit fenomeen is lastig in een blog weer te geven, maar heeft te maken de waterstofbindingen tussen complementaire basen van het DNA. De protonen worden daarbij door de twee tegenover elkaar liggende basen gedeeld. Daarbij kunnen er door proton tunneling, dat een kwantumfenomeen is, tautomeren ontstaan van deze basen, die bij de eerstvolgende replicatie met de verkeerde base combineren, waardoor er een mutatie insluipt. Het ziet er dus naar uit dat dit fenomeen verantwoordelijk is voor spontane mutaties. Deze zouden vervolgens aan de basis staan van somatische mutaties die leiden tot veroudering en kanker kunnen veroorzaken. Het lijkt mij dat dit fenomeen ook relevant is voor erfelijke mutaties aangezien er in de geslachtscellen ook replicatie voorkomt. Dit soort mutaties zijn spontaan en hebben niets te maken met door radiatie of chemicaliën geïnduceerde mutaties. Zij zijn op geen enkele wijze voorspelbaar.

Er kwam ook een ander onderwerp aan bod in de discussie bij Gert Korthof en dat is de mogelijkheid dat kwantummechanica aan de basis staat van de oorsprong van leven. Zoals Peter M. Hoffmann het zegt in zijn boek Life’s Ratchet:

“Life must begin at the nanoscale. This is where complexity beyond atoms begins to emerge and where energy transforms readily from one form to another. It is here where chance and necessity meet. Below the nanoscale, we find only chaos; above this scale only rigid necessity.

Er zijn blijkbaar niet veel mogelijkheden om het ontstaan van leven op dit niveau aan te tonen of ten minste te schetsen. Toch wagen sommige fysici zich daaraan, en één van hen, Paul C. W. Davies heeft het volgende bedacht. Ook hierbij gaat het om de zogenaamde non-trivial kwantumeffecten. Zijn hypothese is dat het leven direct ontstond uit de wereld van atomen zonder complexe intermediaire chemie. Aangezien het leven voornamelijk gekarakteriseerd wordt door replicatoren, stelt hij een klein simpel voorbeeldje van hoe zoiets in zijn werk zou kunnen gaan. Hij noemt dit Q-life en proponeert twee verschillende sequenties aan spins A en B in gecondenseerde materie. Deze twee sequenties interageren en als gevolg daarvan transmuteert B in A. Deze transmutatie ziet er uit als AB → AA. Omdat de sequentie B nu weggevaagd is, is deze transmutatie asymmetrisch en irreversibele. Dit ‘systeem’ zou op een bepaalde manier door de organische moleculaire wereld, waarin alles langzamer gaat maar ook grotere diversiteit oplevert, overgenomen worden.

Als bioloog is dergelijke taal moeilijk te begrijpen en ik heb ook geen idee of dit ooit empirisch aangetoond kan worden. Het is slechts een kleine poging om te laten zien hoe moeilijk het is een brug te slaan in de communicatie tussen biologen en fysici. Maar het is zeker mogelijk wanneer de kwantummechanica onderwezen wordt aan biologen.

Uit: Peter M. Hoffmann. Life’s ratchet. 2012

Paul C.W. Davies. Quantum aspects of life. Chapter 1: A Quantum origin of life? 2008

P.O. Löwdin Proton tunneling in DNA and its biological implications. REVIEWS OF MODERN PHYSICS VOLUME 35, NUMBER 3 JULY 1963

Hierbij bedank ik alle deelnemers aan de discussie bij Gert Korthof en in het bijzonder hemzelf.

Mutatie, Variatie en Natuurlijke Selectie

Mutatie, variatie en natuurlijke selectie zijn zeer belangrijke begrippen binnen de evolutietheorie. Het is voor de meesten wel duidelijk wat een mutatie is. Waar ik wat beter bij wil stilstaan is het begrip variatie. Variatie is namelijk het gevolg van mutatie en is het niveau waarop natuurlijke selectie haar werk doet. Tussen mutatie en natuurlijke selectie speelt zich erg veel af.

Er wordt nog steeds aangenomen dat mutatie random (toevallig of willekeurig) is. Dit toeval heeft betrekking op de kans dat een willekeurige van de miljarden letters van het DNA verandert in een van de andere drie letters (puntmutatie), een kans die voor alle nucleotiden (letters) hetzelfde is. Deze mutatiekans wordt ook wel weergegeven door de mutation rate die voor een gegeven organisme constant is en uitgedrukt wordt in basenparen per generatie. Een recent artikel in Nature toont aan dat de mutation rate van een heel genoom niet helemaal hetzelfde is naar gelang de genen die men bestudeert. Er is momenteel een groot debat over die publicatie. (Zie voorgaand blog). Ook inserties en deleties zijn willekeurig in de zin dat ze op elk punt binnen het genoom kunnen voorkomen. Dit toeval of deze willekeur betreft ook het feit dat een mutatie niet gebonden is aan het eventuele voordeel of nadeel dat een organisme ermee zou doen. Dat wil zeggen dat een mutatie voorkomt onafhankelijk van wat voor schadelijke of minder schadelijke gevolgen deze heeft.

Variatie daarentegen is moeilijker te definiëren. Variatie wordt bepaald zowel door mutaties als door omgevingsfactoren. Sommigen beschouwen variatie als veranderingen in het fenotype van een organisme waarin het fenotype een verzameling is van alle kenmerken. Door de evolutiebiologen, die veel naar organismen en soorten kijken, wordt het fenotype beschouwd als het totaal aan kenmerken binnen de fysionomie en fysiologie van het organisme. Maar moleculair biologen zijn geneigd een fenotype te zien in de kenmerken van een eiwit bijvoorbeeld. Volgens velen heeft natuurlijke selectie geen grip op een eiwit, het zou geen selecteerbaar kenmerk van het organisme zijn. De verschillen en overeenkomsten tussen deze twee zienswijzen kunnen geïllustreerd worden aan de hand van sikkelcelanemie. Zie onderaan de pagina.

Sikkelcel

Natuurlijke selectie is een geleidelijk non-random proces waarbij de kenmerken binnen de populatie verspreid worden al naar gelang deze bijdragen aan de fitness van het individu. Er wordt over het algemeen beweerd dat natuurlijke selectie inwerkt op het fenotype en daarbij wordt vermeld dat het fenotype de verzameling van alle waarneembare kenmerken is. De grenzen van het waarneembare worden steeds meer verlegd. Bovendien zijn er goed geteste modellen van de werkelijkheid die de kenmerken uitstekend beschrijven.

Het voorbeeld van sikkelcelanemie wend ik aan om te laten zien waar mutatie, variatie en natuurlijke selectie van belang zijn binnen deze erfelijke ziekte. In sikkelcelanemie bestaat er een mutatie van het gen voor hemoglobine. Dit is in alle gevallen dezelfde mutatie (dezelfde substitutie van nucleotide, op hetzelfde codon). Deze mutatie heeft tot gevolg dat er een eiwit aangemaakt wordt waarin een aminozuur veranderd is. Het eiwit hemoglobine verandert zodanig dat het (in geval van lage zuurstofniveaus) fibers gaat vormen waardoor de rode bloedlichaampjes hun ronde vorm verliezen en de karakteristieke sikkelvorm aannemen. De variatie is in dit geval het eiwit en de rode bloedlichaampjes. Omdat deze ziekte in recessieve vorm beschermt tegen malaria raakt het gen door natuurlijke selectie van de mensen met de sikkelvormige bloedcellen verspreid in de gebieden waar malaria endemisch is. De variatie in eiwit en vorm van bloedlichaampjes vormen de kenmerken ofwel het fenotype van een mens met sikkelcelanemie.