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.
A estrutura do DNA e RNA. O DNA é uma hélice dupla, enquanto o RNA é uma hélice única. Ambos têm conjuntos de nucleotídeos que contêm informações genéticas.
O ácido desoxirribonucleico, ou DNA, é uma molécula que contém as
instruções que um organismo precisa para desenvolver, viver e se
reproduzir. Essas instruções são encontradas em todas as células e são transmitidas dos pais para os filhos.
Estrutura de DNA
O DNA é composto de moléculas chamadas nucleotídeos. Cada nucleotídeo contém um grupo fosfato, um grupo açúcar e uma base de nitrogênio.
Os quatro tipos de bases nitrogenadas são adenina (A), timina (T), guanina (G) e citosina (C). A ordem dessas bases é o que determina as instruções do DNA, ou código genético.
O DNA humano tem cerca de 3 bilhões de bases, e mais de 99% dessas bases são iguais em todas as pessoas, de acordo com a Biblioteca Nacional de Medicina dos EUA (NLM).
Semelhante à maneira como a ordem das letras do alfabeto pode ser usada
para formar uma palavra, a ordem das bases de nitrogênio em uma
sequência de DNA forma genes , que na linguagem da célula, informa às células como produzir proteínas. Outro tipo de ácido nucleico, ácido ribonucleico ou RNA, traduz informações genéticas do DNA em proteínas. Os nucleotídeos são unidos para formar dois fios longos que espiralam para criar uma estrutura chamada hélice dupla. Se você pensar na estrutura de dupla hélice como uma escada, as moléculas de fosfato e açúcar seriam os lados, enquanto as bases seriam os degraus. As bases de um cordão emparelham-se com as bases de outro cordão: pares de adenina com timina e pares de guanina com citosina. As moléculas de DNA são longas - tão longas, de fato, que não podem se encaixar nas células sem a embalagem certa. Para caber dentro das células, o DNA é enrolado firmemente para formar estruturas que chamamos de cromossomos . Cada cromossomo contém uma única molécula de DNA. Os seres humanos têm 23 pares de cromossomos, encontrados dentro do núcleo da célula.
Descoberta de DNA
O DNA foi observado pela primeira vez por um bioquímico alemão chamado
Frederich Miescher em 1869. Mas por muitos anos, os pesquisadores não
perceberam a importância dessa molécula.
Não foi até 1953 que James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins e
Rosalind Franklin descobriram a estrutura do DNA - uma dupla hélice -
que eles perceberam que poderia levar informações biológicas. Watson, Crick e Wilkins receberam o Prêmio Nobel de Medicina
em 1962 "por suas descobertas sobre a estrutura molecular dos ácidos
nucleicos e seu significado para a transferência de informações em
materiais vivos".Franklin não foi incluído no prêmio , embora seu trabalho fosse parte integrante da pesquisa. [Relacionado: Desvendando o genoma humano: 6 marcos moleculares ]
Sequenciamento de DNA
Sequenciamento de DNA é uma tecnologia que permite aos pesquisadores determinar a ordem das bases em uma sequência de DNA. A tecnologia pode ser usada para determinar a ordem das bases nos genes, cromossomos ou em um genoma inteiro. Em 2000, os pesquisadores completaram a primeira sequência completa do genoma humano, de acordo com um relatório do Instituto Nacional de Pesquisa do Genoma Humano .
