DNA復制機器能夠以極快的速度和驚人的準確性將正確的堿基（G-C 、A-T）配對形成DNA雙螺旋。它們能夠識別正確的堿基搭配，丟棄錯誤的組合。不過，這些機器每復制10,000 -100,000 bp就會犯個錯誤，這個錯誤如果不校正就會成為基因組突變。

研究者們幾十年來一直想知道，這些貌似隨機的錯誤是如何產生的。一些人認為，DNA堿基會在一瞬間改變形態(tài)，讓復制機器把錯誤的堿基對摻入DNA。但此前還沒人捕捉到這種微小的形態(tài)轉變。

日前，Duke大學的研究人員觀察到了這種極微小的堿基改變。在短短一瞬間，發(fā)生改變的堿基看起來像是另一個堿基。這種“量子悸動”（quantum jitter）現(xiàn)象極為罕見，存在的時間也極短，但卻會產生深遠的影響。

這項發(fā)表在Nature雜志上的研究指出，量子悸動的出現(xiàn)頻率與DNA復制錯誤的頻率差不多，它們可能就是隨機突變的基礎。

“DNA結構本身就允許錯誤發(fā)生，”Duke大學的Hashim M. Al-Hashimi教授說。“這些錯誤非常關鍵，沒有它們生命就無法進化。但如果這樣的錯誤太多，基因突變就會脫離控制，使我們無法生存。量子悸動將自發(fā)性突變的頻率調節(jié)得恰到好處。”

沃森和克里克1953年發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋之后，就曾預測堿基會改變形態(tài)并導致錯配。近十年來人們獲得了DNA中發(fā)生錯配的圖像，但還不清楚錯配發(fā)生的具體機制以及決定錯配出現(xiàn)頻率的因素。

研究人員使用一種NMR技術（NMR relaxation dispersion）來成像這些極為微小而且稍縱即逝的改變。Al-Hashimi實驗室的研究生Isaac J. Kimsey設計了含有一個G-T錯配的雙鏈DNA，隨后通過NMR技術檢測G和T上的原子。

G和T一般是不能配對的，因為它們表面伸出的氫原子彼此沖突。沃森和克里克之前的理論是，氫原子可能被推開而形成錯配。Kimsey通過NMR技術首次在DNA雙鏈中獲得了這種原子重排的直接證據。研究顯示，RNA中也存在類似的現(xiàn)象。

這種微小的運動（量子悸動）耗費大量的能量，堿基要嘗試差不多一萬次才能成功一次。成功之后的新形態(tài)也只能維持很短的時間（50-200微秒），隨后氫原子又會回到原來的位置。研究人員發(fā)現(xiàn)，這種罕見狀態(tài)的出現(xiàn)頻率與聚合酶的錯誤頻率差不多。

隨機突變是生命進化的基礎也和癌癥發(fā)展有關，這項研究闡明了隨機突變的基礎，“我們可以利用這一點設計藥物，誘使癌細胞或病毒更快出現(xiàn)復制錯誤，使其突變脫離控制并最終死亡，”Kimsey說。