A estrutura do DNA

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 1 A 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.

O artigo: Estrutura molecular de ácidos nucléicos: uma estrutura para o ácido nucleico desoxirribose

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.

150 anos da natureza - uma coleção de aniversário

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.

Dorothy Hodgkin: A criação de um cientista excepcional

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.

Referências

1. 1
   Watson, JD & Crick, FHC Nature 171 , 737-738 (1953).
   • • PubMed
     • Artigo
     • Google Scholar
2. 2)
   Avery, OT, MacLeod, CM e McCarty, M.J. Exp. Med. 79 , 137-158

 

10 fatos interessantes de DNA

Quanto você sabe sobre o DNA?

 

Atualizado em 23 de maio de 2019

 

Códigos de DNA ou ácido desoxirribonucleico para sua composição genética. Existem muitos fatos sobre o DNA, mas aqui estão 10 que são particularmente interessantes, importantes ou divertidos.

Principais descobertas: fatos de DNA

• DNA é o acrônimo de ácido desoxirribonucleico.
• O DNA e o RNA são os dois tipos de ácidos nucleicos que codificam a informação genética.
• O DNA é uma molécula de hélice dupla construída a partir de quatro nucleotídeos: adenina (A), timina (T), guanina (G) e citosina (C).

1. Mesmo que ele codifique todas as informações que formam um organismo, o DNA é construído usando apenas quatro blocos de construção, os nucleotídeos adenina, guanina, timina e citosina.
2. Todo ser humano compartilha 99% de seu DNA com todos os outros seres humanos.
3. Se você colocar todas as moléculas de DNA em seu corpo de ponta a ponta, o DNA alcançará da Terra ao Sol e voltará mais de 600 vezes (100 trilhões de vezes seis pés dividido por 92 milhões de milhas).
4. Um pai e uma criança compartilham 99,5% do mesmo DNA.
5. Você tem 98% do seu DNA em comum com um chimpanzé.
6. Se você pudesse digitar 60 palavras por minuto, oito horas por dia, levaria aproximadamente 50 anos para digitar o genoma humano . 
7. O DNA é uma molécula frágil. Cerca de mil vezes por dia, algo acontece para causar erros. Isso pode incluir erros durante a transcrição, danos causados ​​por luz ultravioleta ou qualquer outro tipo de atividade. Existem muitos mecanismos de reparo, mas alguns danos não são reparados. Isso significa que você carrega mutações! Algumas das mutações não causam danos, algumas são úteis, enquanto outras podem causar doenças, como o câncer. Uma nova tecnologia chamada CRISPR poderia nos permitir editar genomas, o que poderia nos levar à cura de mutações como o câncer, a doença de Alzheimer e, teoricamente, qualquer doença com um componente genético.

1. Cientistas da Universidade de Cambridge acreditam que os seres humanos têm DNA em comum com o verme da lama e que é o mais próximo invertebrado genético em relação a nós. Em outras palavras, você tem mais em comum, geneticamente falando, com um verme de lama do que com uma aranha, um polvo ou uma barata.
2. Humanos e repolho compartilham cerca de 40-50% de DNA comum.
3. Friedrich Miescher descobriu o DNA em 1869, embora os cientistas não compreendessem que o DNA era o material genético nas células até 1943. Antes disso, acreditava-se amplamente que as proteínas armazenavam informações genéticas.

10 Interesting DNA Facts

How Much Do You Know About DNA?

DNA codes the genetic information of an organism. KTSDESIGN/SCIENCE PHOTO LIBRARY / Getty Images

by Anne Marie Helmenstine, Ph.D.

Updated November 05, 2018

DNA or deoxyribonucleic acid codes for your genetic make-up. There are lots of facts about DNA, but here are 10 that are particularly interesting, important, or fun.

Key Takeaways: DNA Facts

• DNA is the acronym for deoxyribonucleic acid.
• DNA and RNA are the two types of nucleic acids the code for genetic information.
• DNA is a double-helix molecule built from four nucleotides: adenine (A), thymine (T), guanine (G), and cytosine (C).

1. Even though it codes for all the information that makes up an organism, DNA is built using only four building blocks, the nucleotides adenine, guanine, thymine, and cytosine.
2. Every human being shares 99% of their DNA with every other human.
3. If you put all the DNA molecules in your body end to end, the DNA would reach from the Earth to the Sun and back over 600 times (100 trillion times six feet divided by 92 million miles).
4. A parent and child share 99.5% of the same DNA.
5. You have 98% of your DNA in common with a chimpanzee.
6. If you could type 60 words per minute, eight hours a day, it would take approximately 50 years to type the human genome.
7. DNA is a fragile molecule. About a thousand times a day, something happens to it to cause errors. This could include errors during transcription, damage from ultraviolet light, or any of a host of other activities. There are many repair mechanisms, but some damage isn't repaired. This means you carry mutations! Some of the mutations cause no harm, a few are helpful, while others can cause diseases, such as cancer. A new technology called CRISPR could allow us to edit genomes, which might lead us to the cure of such mutations as cancer, Alzheimer's and, theoretically, any disease with a genetic component.

1. Scientists at Cambridge University believe humans have DNA in common with the mud worm and that it is the closest invertebrate genetic relative to us. In other words, you have more in common, genetically speaking, with a mud worm than you do with a spider or octopus or cockroach.
2. Humans and cabbage share about 40-50% common DNA.
3. Friedrich Miescher discovered DNA in 1869, although scientists did not understand DNA was the genetic material in cells until 1943. Prior to that time, it was widely believed that proteins stored genetic information.