DNA의 양성자 터널링은 돌연변이와 관련이 있을까

DNA에서 아주 작은 양성자 하나가 위치를 바꾸는 것만으로 유전정보에 오류가 생길 수 있을까요?

놀랍게도 과학자들은 오래전부터 이런 가능성을 연구해왔습니다. 그 과정에서 등장하는 것이 바로 ‘양성자 터널링’입니다.

DNA에서는 양성자가 어디에 있을까?

DNA의 염기인 아데닌(A), 티민(T), 구아닌(G), 사이토신(C)은 수소결합을 통해 서로 짝을 이룹니다.

A는 T와, G는 C와 결합하는 것이 기본입니다.

그런데 이 수소결합에 참여하는 양성자는 항상 한 위치에 완벽하게 고정돼 있는 것은 아닙니다. 매우 작은 입자인 양성자는 에너지 장벽을 넘어가거나 양자 터널링을 통해 다른 위치로 이동할 가능성이 있습니다.

양성자가 이동하면 토토머가 만들어질 수 있다

양성자의 위치가 바뀌면 DNA 염기의 구조도 잠깐 달라질 수 있습니다. 이런 다른 형태를 ‘토토머(tautomer)’라고 합니다.

문제는 희귀 토토머가 정상적인 염기와 조금 다른 방식으로 짝을 이룰 수 있다는 것입니다.

예를 들어 DNA 복제 순간에 이런 상태가 유지된다면 원래 들어가야 할 염기가 아닌 다른 염기가 결합하고, 복제 오류가 고정되면서 점돌연변이로 이어질 가능성이 제안돼 왔습니다. 2024년 리뷰에서도 이러한 양성자 이동과 자발적 돌연변이의 관계가 계속 연구되고 있습니다.

양자 터널링은 왜 등장할까?

고전물리학에서는 양성자가 장벽을 넘으려면 충분한 에너지가 필요합니다.

하지만 양자역학에서는 입자가 장벽을 직접 넘지 않고도 반대편에 나타날 확률이 존재합니다. 이것이 양자 터널링입니다.

2022년 Communications Physics의 이론 연구에서는 G-C 염기쌍에서 양성자의 터널링에 의한 이동 속도가 고전적인 장벽 넘기보다 훨씬 클 수 있으며, 희귀 토토머가 예상보다 의미 있는 비율로 존재할 가능성을 제시했습니다.

실제로 돌연변이를 만든다는 것이 증명됐을까?

아직 그렇게 말할 수는 없습니다.

특히 세포 속 DNA는 물과 단백질 등 복잡한 환경에 놓여 있습니다. 2019년 QM/MM 계산 연구에서는 실제 DNA 환경을 고려했을 때 G-C의 이중 양성자 이동으로 만들어진 희귀 토토머가 매우 불안정해 돌연변이의 주요 원인이 되기 어렵다는 결과도 나왔습니다.

반면 2025년 계산 연구에서는 핵의 양자효과를 포함했을 때 C-G 토토머가 형성될 확률이 고전적 계산보다 약 8배 증가한다는 결과가 보고됐습니다.

즉 연구 결과가 하나의 결론으로 완전히 정리된 단계는 아닙니다.

DNA 돌연변이와 양자역학의 관계

현재 가장 정확하게 말하면 이렇습니다.

DNA 염기 사이의 양성자 이동과 양자 터널링은 희귀 토토머를 만들 수 있는 물리적 메커니즘이며, 이것이 일부 자발적 돌연변이에 기여할 가능성이 연구되고 있습니다.

하지만 사람이나 생명체에서 발생하는 돌연변이의 상당 부분이 양자 터널링 때문에 생긴다고 말할 직접적인 증거는 아직 없습니다.

그럼에도 양성자 하나의 양자적 움직임이 DNA 복제 오류로 이어질 가능성이 있다는 점은 양자생물학이 흥미로운 이유를 잘 보여줍니다.