No início dos anos 50, a identidade do material genético ainda era motivo de debate. A descoberta da estrutura helicoidal do DNA de fita dupla resolveu o problema - e mudou a biologia para sempre
Em 25 de abril de 1953, James Watson e Francis Crick anunciaram 1 na Nature que "desejam sugerir" uma estrutura para o DNA .
Em um artigo de pouco mais de uma página, com um diagrama (Fig. 1),
eles transformaram o futuro da biologia e deram ao mundo um ícone - a
dupla hélice.
Reconhecendo imediatamente que sua estrutura sugeria um “possível
mecanismo de cópia para o material genético”, eles iniciaram um processo
que, na década seguinte, levaria à quebra do código genético e, 50 anos
depois, à sequência completa do genoma humano.
Figura 1A dupla hélice do DNA.Esse desenho apareceu no relatório 1 de Watson e Crick sobre a estrutura do DNA e foi produzido pela esposa de Crick, Odile.
Até aquele momento, os biólogos ainda estavam convencidos de que o material genético era de fato DNA; proteínas parecia uma aposta melhor. No entanto, a evidência para o DNA já estava disponível. Em 1944, o pesquisador médico canadense-americano Oswald Avery e seus colegas mostraram 2 que a transferência de DNA de uma cepa de bactéria virulenta para não-virulenta conferia virulência a esse último. E em 1952, os biólogos Alfred Hershey e Martha Chase publicaram evidências 3 de que vírus fágicos infectam bactérias injetando DNA viral.
Watson, um geneticista norte-americano de 23 anos de idade, chegou ao
Cavendish Laboratory na Universidade de Cambridge, Reino Unido, no
outono de 1951. Ele estava convencido de que a natureza do gene era o
principal problema da biologia e que a chave para a gene era DNA.
O Cavendish era um laboratório de física, mas também abrigava a Unidade
de Pesquisa do Conselho de Pesquisa Médica sobre a Estrutura Molecular
de Sistemas Biológicos, chefiada pelo químico Max Perutz. O grupo de Perutz usava cristalografia de raios-X para desvendar as estruturas das proteínas hemoglobina e mioglobina.
Sua equipe incluía um estudante de 35 anos que havia desistido da
física e treinado novamente em biologia e que estava muito mais feliz
trabalhando com as implicações teóricas dos resultados de outras pessoas
do que fazendo seus próprios experimentos: Francis Crick. Em Crick, Watson encontrou um aliado pronto em sua obsessão pelo DNA. No entanto, o DNA foi o projeto de Maurice Wilkins no King's College London. Crick era amigo de Wilkins, e não era o caso dos laboratórios competirem pela mesma molécula.
Além disso, o experiente cristalógrafo de raios X Rosalind Franklin
acabara de assumir o trabalho experimental de DNA na King's. Devido a um mal-entendido sobre seus papéis relativos, o relacionamento de Franklin com Wilkins era gelado.
Nada disso impediu Watson e Crick de especular sobre como os
componentes da molécula de DNA - as quatro bases nucleotídicas adenina,
guanina, timina e citosina, conectadas a uma espinha dorsal de açúcares e
fosfatos - podem se reunir em fibras.
Eles achavam que uma hélice era uma opção provável: o químico norte-americano Linus Pauling e seus colegas haviam demonstrado 4 que as cadeias peptídicas formavam hélices α. O próprio Crick foi co-autor de um artigo sobre a teoria da difração de raios-X por hélices 5 .
No final de 1951, ele e Watson combinaram essa teoria com o que sabiam
sobre a química do DNA e com o que se lembraram das palestras proferidas
por Wilkins e Franklin, para construir um modelo da estrutura do DNA. Eles entenderam muito mal: Wilkins e Franklin rapidamente o demoliram. O chefe do Cavendish, Lawrence Bragg, ficou furioso e proibiu Watson e Crick de fazer mais trabalhos sobre o DNA. Mas então, em fevereiro de 1952, a equipe Cavendish recebeu um manuscrito de Pauling que continha um modelo de DNA. Estava errado, mas Watson e Crick ficaram alarmados com o fato de Pauling estar potencialmente próximo de uma solução. Dessa vez, Bragg concordou que eles poderiam tentar chegar lá primeiro. Franklin logo se mudaria para a Birkbeck College, em Londres, e deixaria o trabalho de DNA para Wilkins.
Ela e seu aluno de graduação, Raymond Gosling, haviam dado a Wilkins
uma fotografia do padrão de difração de raios X produzido pela forma B
do DNA. Watson foi ver Wilkins, que lhe mostrou a fotografia, sem o conhecimento de Franklin e Gosling.
A agora famosa "Fotografia 51", juntamente com outros dados não
publicados de Franklin que Perutz havia mostrado a Watson e Crick, disse
ao par que o DNA realmente formava uma hélice e que a estrutura
consistia em duas cadeias correndo em direções opostas. Watson ficou perplexo, no entanto, sobre como as bases poderiam emparelhar-se entre as duas. Ele fez recortes de papelão das bases, tentando encaixá-las, mas nada parecia funcionar.
Seu colega Jerry Donohue apontou que estava usando as estruturas
moleculares dos isômeros enol das bases, que não podem formar as
ligações de hidrogênio necessárias para o emparelhamento de bases.
Depois que Watson fez recortes dos isômeros ceto-alternativos, teve a
revelação ofuscante de que, quando a guanina se ligava à citosina, tinha
uma forma idêntica à da adenina, ligada à timina, e que as formas se
encaixavam perfeitamente na estrutura helicoidal fornecida pelos
backbones de cada cadeia de DNA.
Isso explica a descoberta do bioquímico Erwin Chargaff de que o DNA de
qualquer espécie possui a mesma quantidade de guanina que a citosina e
adenina e timina 6 .
Também mostrou que cada cadeia de DNA em uma hélice fornece um modelo
perfeito para a outra, lendo a sequência de bases em direções opostas. Em poucos dias, Watson e Crick haviam construído um novo modelo de DNA a partir de peças de metal. Wilkins imediatamente aceitou que estava correto. Foi acordado entre os dois grupos que eles publicariam três trabalhos simultaneamente na Nature
, com os pesquisadores do King comentando sobre o ajuste da estrutura
de Watson e Crick aos dados experimentais, e Franklin e Gosling
publicando a Fotografia 51 pela primeira vez 7,8 .
A dupla de Cambridge reconheceu em seu artigo que sabia “da natureza
geral dos resultados e idéias experimentais não publicados” dos
trabalhadores do rei, mas não foi até The Double Helix , o relato
explosivo de Watson sobre a descoberta, que foi publicado em 1968 que
ficou claro como eles obtiveram acesso a esses resultados. Franklin morrera de câncer uma década antes; sua morte a impediu de compartilhar o prêmio Nobel concedido a Watson, Crick e Wilkins em 1962. A recepção imediata do modelo de dupla hélice foi surpreendentemente silenciosa 9 , talvez porque não houvesse mecanismo óbvio para explicar seu papel na síntese de proteínas.
Em uma conversa histórica em 1957, Crick propôs que a sequência base
codificasse a sequência de aminoácidos em uma proteína, e que a produção
de proteínas envolvesse RNA tanto como modelo quanto como um
'adaptador' que permitiria a conexão de aminoácidos uns aos outros na
ordem certa.
Ele também apoiou a sugestão - originalmente feita informalmente pelo
físico George Gamow aos membros do 'RNA Tie Club' convocado por Gamow e
Watson, mas também proposto de forma independente pelo biólogo Sydney
Brenner 10 - de que trigêmeos de bases (que Brenner chamou de códons) codificam os 20 aminoácidos comumente encontrados nas proteínas.
Por fim, Crick expôs o que chamou de 'dogma central' da biologia: essa
informação pode fluir de ácidos nucléicos para proteínas, mas não o
contrário 11 . Essas previsões foram confirmadas por experimentos nos próximos anos.
Em 1958, os bioquímicos Matthew Meselson e Franklin Stahl mostraram que
uma fita de DNA atua como modelo para a formação de uma nova fita 12 . No mesmo ano, Arthur Kornberg e seus colegas publicaram sua descoberta da enzima DNA polimerase 13 , que adiciona bases às novas cadeias de formação. O RNA mensageiro, o RNA de transferência e o RNA ribossômico foram todos identificados rapidamente.
Em 1961, Marshall Nirenberg e Heinrich Matthaei foram os primeiros a
decifrar parte do código genético, demonstrando que os extratos
bacterianos sintetizam apenas o aminoácido fenilalanina do RNA que
contém apenas um tipo de RNA base 14 (uracil; U).
No mesmo ano, Crick, sua indispensável técnica feminina Leslie Barnett e
suas colegas de trabalho relataram estudos de mutações que confirmaram a
existência do código baseado em trigêmeos 15 e, portanto, sugeriram que o códon da fenilalanina era UUU.
A corrida para identificar o conjunto completo de códons foi concluída
em 1966, com Har Gobind Khorana contribuindo com as seqüências de bases
em vários códons de seus experimentos com polinucleotídeos sintéticos
(ver go.nature.com/2hebk3k ). Com a publicação de Fred Sanger e colegas 16
de um método eficiente para sequenciar DNA em 1977, foi aberto o
caminho para a leitura completa da informação genética em qualquer
espécie. A tarefa foi concluída para o genoma humano em 2003, outro marco na história do DNA.
Watson dedicou a maior parte de sua carreira à educação e administração
científica como chefe do Laboratório Cold Spring Harbor em Long Island,
Nova York, e atuou (brevemente) como o primeiro chefe do Centro
Nacional de Pesquisa em Genoma Humano dos EUA, agora o Instituto
Nacional de Pesquisa do Genoma Humano.
Sempre franco, ele acabou sendo removido de sua posição emérita em Cold
Spring Harbor, quando transmitiu repetidamente opiniões controversas
sobre genética, raça e inteligência.
Crick continuou a enfrentar problemas difíceis na ciência, mudando-se
em 1977 de Cambridge para o Salk Institute em La Jolla, Califórnia, onde
passou o resto da vida trabalhando na base neural da consciência 17 e, especificamente, da percepção visual. Ele morreu em 2004, aos 88 anos.
A dupla hélice colocou a genética em uma base física que lançaria luz
sobre quase todos os aspectos da biologia e da medicina modernas. Exemplos incluem a migração de populações humanas ao longo da história; ecologia e biodiversidade; mutações causadoras de câncer em tumores e seu tratamento medicamentoso; vigilância da resistência microbiana a medicamentos em hospitais e na população global; e o diagnóstico e tratamento de doenças congênitas raras.
A análise de DNA já foi estabelecida na ciência forense e a pesquisa em
aplicações mais futuristas, como a computação baseada em DNA, está bem
avançada.
Paradoxalmente, a estrutura icônica de Watson e Crick também
possibilitou o reconhecimento das deficiências do dogma central, com a
descoberta de pequenos RNAs que podem regular a expressão gênica e de
fatores ambientais que induzem alterações epigenéticas hereditárias. Sem dúvida, o conceito de dupla hélice continuará a sustentar as descobertas da biologia nas próximas décadas.
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