Ученые смоделировали квантовую телепортацию в живой клетке

Специалисты ДВФУ и ОИЯИ смоделировали физические условия, при которых в живой клетке возможна мгновенная и безошибочная передача генетической информации по квантовому каналу. По мнению авторов, результаты работы позволяют предположить, что передача данных в биологических системах может идти по механизму, похожему на квантовую телепортацию. Исследование опубликовано в журнале BioSystems.

Чтобы клетка синтезировала белки, с участка ДНК «списывается» матричная РНК. Этот процесс называется транскрипцией. При нем возможны ошибки, а сам ДНК-оригинал может повреждаться.

Такие сбои, закрепляясь как мутации, приводят к серьезным проблемам со здоровьем. Например, мутация в гене TP53 выключает белок p53, который защищает клетку от злокачественного перерождения.

Ученые рассмотрели транскрипцию на примере участка гена TP53 и теоретически предсказали: если во время этого процесса между цепями ДНК и мРНК возникает миграция случайно индуцированного заряда, между ними может образоваться канал связи «без химических посредников». Он позволит мгновенно и с минимальным риском ошибок передавать информацию на квантовом уровне.

Если в молекуле ДНК действительно возможна передача информации по квантовому каналу, она становится не просто банком данных, а квантовым вычислительным устройством. Оно способно параллельно обрабатывать сведения о метаболизме, внешних полях и повреждениях и выдавать единое решение о судьбе клетки: делиться, дифференцироваться или самоуничтожиться.

Как объяснил один из авторов, доцент ДВФУ Сергей Ширмовский, в момент, когда фермент РНК-полимераза «расстегивает» двойную спираль ДНК, на одной из половин собирается комплементарная цепь мРНК. Именно тогда обе цепи — исходная ДНК и новая мРНК — находятся в тесном контакте, что создает условия для квантового взаимодействия и запутывания. Это значит, что их квантовые состояния перестают быть независимыми.

Эту «волшебную связь» ученый проиллюстрировал мысленным экспериментом с монетами. Обычно при подбрасывании двух монет возможны четыре равновероятные комбинации «орла» и «решки». Но если бы между монетами существовала связь, аналогичная квантовой запутанности, выпадали бы только определенные комбинации, даже если бы монеты находились на разных концах Галактики.

Квантовая запутанность для неживой материи — экспериментально доказанный эффект, за который в 2022 году Ален Аспе, Джон Клаузер и Антон Цайлингер получили Нобелевскую премию по физике. На его основе уже работают квантовая криптография и протоколы телепортации квантовых состояний.

При этом запутывание в системе ДНК–мРНК и в биологических системах пока остается теоретическим предсказанием. Его экспериментальное подтверждение, как отметил соавтор работы Алексей Чижов, приведет к принципиально новому пониманию работы живых систем, но для этого нужны сложные эксперименты высочайшей точности.

Ранее ученые заявили о нарушении семи из девяти показателей здоровья Земли.