A história do DNA

A descoberta da estrutura do DNA foi relatada 50 anos atrás este mês. Mas a saga começou muitos anos antes, diz Susan Aldridge

A 25 de Abril de 1953, apareceu na Natureza um artigo que visava transformar as ciências da vida – da bioquímica e da agricultura, à medicina e à genética. James Watson e Francis Crick, então na Universidade de Cambridge, relataram a descoberta da estrutura do DNA (ácido desoxirribonucleico) – a molécula de que os genes são feitos.

Crick e Watson usaram a construção de modelos para revelar a agora famosa dupla hélice do DNA, mas os dados cristalográficos de raios X de Rosalind Franklin e Maurice Wilkins no King’s College, Londres, foram cruciais para a descoberta. A descoberta também se deveu muito aos avanços nas técnicas bioquímicas, microscopia, análise química e teorias de ligação química que se tinham desenvolvido a partir de meados do século XIX. O verdadeiro significado da estrutura do DNA foi sublinhado por volta da mesma época pelo estabelecimento final de uma controvérsia de décadas sobre se o DNA ou a proteína era a “molécula vital”.

A saga de DNA começou em 1869, quando o bioquímico suíço Friedrich Miescher isolou uma nova substância dos núcleos dos glóbulos brancos do sangue. Recentemente os pesquisadores estavam cientes de que as células eram a unidade básica da vida e Miescher estava interessado em seus componentes químicos. Todas as manhãs, ele ligava para a clínica local para pegar curativos sujos, pois nos dias antes dos anti-sépticos estes estavam encharcados em pus – uma boa fonte de glóbulos brancos com seus grandes núcleos. A adição de álcali fez com que os núcleos das células se abrissem, liberando seu conteúdo, do qual Miescher extraía o DNA (que ele chamava de nucleína).

Análise desta nucleína mostrou que se tratava de um ácido, contendo fósforo, pelo que não cabia em nenhum dos grupos conhecidos de moléculas biológicas, tais como os hidratos de carbono e as proteínas. Miescher calculou sua fórmula como C29H49O22N9P3 – uma subestimação grosseira, refletindo o fato de que o DNA é uma molécula longa e frágil que se fragmenta prontamente. Miescher deve ter usado um dos fragmentos para a determinação da fórmula. A nucleína foi rechisturada ácido nucléico e, apesar de sua novidade química, seu significado biológico não foi totalmente realizado por muitas décadas.

Meanwhile, graças aos desenvolvimentos na microscopia, a célula continuou a produzir os seus segredos. Em 1879, a bióloga alemã Walther Flemming descobriu pequenas estruturas em forma de fio chamadas cromatina (mais tarde conhecidas como cromossomos) dentro do núcleo – assim chamadas porque elas absorviam facilmente a cor das novas manchas usadas para revelar componentes celulares. Estudos sobre a divisão celular deveriam revelar o papel-chave desempenhado pelos cromossomos na herança – como eles dobram antes da divisão celular, e depois se dividem em dois conjuntos, tomando uma cópia nova em cada célula ‘filha’.

Outras análises sugeriram que os cromossomas continham DNA, o que levou outro pesquisador alemão, Oskar Hertwig, a declarar que ‘nucleína é a substância responsável … pela transmissão de características hereditárias’. Nem todos concordaram – Miescher por um. Os cromossomas também continham proteínas, e os bioquímicos estavam apenas começando a apreciar o que eram proteínas de moléculas grandes e complexas. A fragilidade do DNA era esconder a sua complexidade subjacente por muitos mais anos.

Ironicamente, Miescher foi possivelmente o primeiro a apresentar a ideia de um código químico a passar informação biológica de uma célula para outra, mas ele, como muitos outros depois dele, acreditava que apenas as proteínas eram capazes de transportar tal código.

Até 1900, sabia-se que os blocos básicos de construção do DNA eram fosfato, um açúcar (mais tarde demonstrado ser deoxirribose) e quatro bases heterocíclicas – duas das quais eram purinas enquanto as outras duas eram pirimidinas .

Foi Phoebus Levene, do Rockefeller Institute, Nova York, e um antigo aluno do químico e compositor russo Alexander Borodin, que mostrou que os componentes do DNA estavam ligados na ordem fosfato-base de açúcar. Ele chamou a cada uma dessas unidades um nucleotídeo, argumentando que a molécula de DNA consistia de um conjunto de unidades nucleotídicas ligadas entre si através dos grupos fosfato, que são a “espinha dorsal” da molécula.

Mas ninguém apreciou o comprimento extraordinário da molécula de DNA até bem dentro do século 20. Sabemos agora que o DNA de uma célula humana, se colocado de ponta a ponta, constituiria uma molécula de cerca de 1m de comprimento. Mesmo um organismo simples como a bactéria E. coli tem uma molécula de ADN com pouco mais de 1mm de comprimento. Miescher não tinha percebido isso, claro, nem Levene, que insistiu que o DNA era uma molécula relativamente pequena – provavelmente cerca de 10 nucleotídeos de comprimento.

Levene também estava convencido de que as quantidades das quatro bases eram as mesmas em todas as moléculas de ADN, qualquer que fosse a sua origem. Assim, mesmo quando os pesquisadores suecos Torbj?rn Caspersson e Einar Hammersten mostraram, nos anos 30, que o DNA era um polímero, a maioria das pessoas continuou a acreditar na “hipótese do tetranucleotídeo” de Levene. Mesmo que o DNA contivesse milhões de nucleotídeos, pensava-se que eles estavam dispostos de uma forma monótona e previsível que não poderia ter conteúdo informativo significativo. O contemporâneo de Levene, o grande químico alemão Emil Fischer, tinha mostrado que as proteínas são feitas de aminoácidos, ligados entre si em diversas sequências. Parecia cada vez mais como se as proteínas carregassem o código genético, enquanto o DNA desempenhava um papel de suporte nos cromossomos.

Um avanço veio de Oswald Avery, Colin McLeod e Maclyn McCarty, uma equipe de microbiologistas médicos do Rockefeller Institute, em Nova York. Eles estavam tentando identificar a natureza do ‘princípio transformador’ – uma substância descoberta pelo microbiologista inglês, Fred Griffith, em 1928. Griffith tinha estado a experimentar duas espécies de pneumococo, a bactéria que causa pneumonia (muito temida nos dias antes dos antibióticos).

Uma forma – conhecida como a forma lisa do seu aparecimento quando cultivada em placas de Petri – era conhecida por ser patogénica, enquanto que a segunda forma, ‘áspera’, era inofensiva. Para sua surpresa, Griffith descobriu que misturar bactérias ásperas vivas com pneumococos lisos mortos poderia transformar os pneumococos ásperos em uma forma lisa virulenta. Evidentemente alguma substância – o princípio transformador (genes, em outras palavras) – tinha passado das bactérias lisas para as bactérias ásperas. Usando enzimas que quebraram componentes celulares específicos, Avery e sua equipe mostraram por um processo de eliminação que o DNA, e não as proteínas, era o princípio transformador.

Físicos também contribuíram para este debate – por exemplo, Erwin Schr?dinger apresentou o conceito do ‘cristal aperiódico’ em seu influente livro O que é a vida? Cristais simples como o cloreto de sódio não podem carregar informação genética porque seus íons estão dispostos em um padrão periódico. O que Schr?dinger estava propondo era que a ‘planta’ da vida fosse encontrada em um composto cujos componentes estavam dispostos em uma longa seqüência irregular, que carregava informação sob a forma de um código genético, embutido em sua estrutura química. As proteínas tinham sido o candidato óbvio para o cristal aperiódico, com a sequência de aminoácidos a fornecer o código. Agora, com as descobertas de Avery, os holofotes caíram sobre o DNA como uma escolha alternativa para o material genético.

Pesquisa para determinar a estrutura do DNA assumiu uma urgência adicional (embora a confirmação final de seu papel central ainda estivesse por vir, a partir de experimentos realizados por Alfred Hershey e Martha Chase nos EUA, no início dos anos 50). O químico austríaco Erwin Chargaff – por exemplo – ficou profundamente impressionado com o trabalho de Avery. Ele escreveu: “Eu vi diante de mim, em contornos escuros, o início de uma gramática da biologia. Avery nos deu o primeiro texto de uma nova linguagem, ou melhor, ele nos mostrou onde procurá-la. Resolvi procurar por este texto”. Chargaff foi pioneiro na cromatografia de papel de ácidos nucleicos, usando isto para determinar quanto de cada um dos nucleotídeos componentes estava contido em uma amostra de DNA. Ele rapidamente demoliu a hipótese de tetranucleotide de Levene. Cada espécie diferiu na quantidade de A, C, G e T – mas dentro da espécie, as proporções de cada uma são idênticas, não importa de qual tecido o DNA é extraído. Era exatamente o que se poderia esperar de uma molécula que é a assinatura biológica para a espécie.

Aven mais significativa foi a descoberta de Chargaff de que a proporção de A em qualquer molécula de DNA sempre foi igual à proporção de T e, da mesma forma, a quantidade de G e C sempre corresponderam – uma regra que ficou conhecida como as proporções de Chargaff. Embora o próprio Chargaff pareça ter feito pouco uso directo das suas descobertas, a ideia de emparelhamento de bases (A com T, C com G) era para ser um passo crucial no emparelhamento da estrutura tridimensional do ADN.

A fase final de resolução do quebra-cabeça da estrutura do DNA dependia da cristalografia de raios X. O uso de raios X para resolver as estruturas de grandes moléculas biológicas começou com o trabalho de Dorothy Hodgkin sobre penicilina, lisosyme e vitamina B12, e o trabalho de Max Perutz sobre hemoglobina dos anos 30. Em 1938, William Astbury, um estudante de William Bragg (que, com o filho Lawrence, tinha inventado a técnica em 1913) tinha imagens de raios X de DNA, mas eram difíceis de interpretar.

O final dos anos 40 viu três grupos separados trabalhando intensamente na estrutura do DNA. No King’s College, Londres, Maurice Wilkins ficou intrigado com as longas fibras que o DNA forma quando é arrancado de soluções aquosas com uma vareta de vidro, perguntando-se se isso significava que havia alguma regularidade em sua estrutura. Ele produziu mais imagens de raios X, usando aparelhos improvisados como os que são difíceis de imaginar hoje em dia. Em 1951, a Wilkins juntou-se a Rosalind Franklin, uma fisioterapeuta britânica que já tinha reputação internacional pelo seu trabalho na cristalografia de raios X de carvões. Ela começou a construir um laboratório de raios X dedicado na King’s e logo produziu as melhores imagens de DNA de todos os tempos. Estas levaram-na à ideia de que talvez a molécula de ADN estivesse enrolada numa forma helicoidal.

Linus Pauling, o químico americano, e autor de The nature of the chemical bond, começou a pensar de forma semelhante. Afinal, Pauling já tinha descoberto motivos helicoidais em estruturas proteicas. Nessa época, Francis Crick – com formação em matemática e física, e o mais jovem James Watson, com experiência na biologia molecular do fago (vírus que infectam bactérias, então usado como ferramenta laboratorial para estudos genéticos), uniram forças no Laboratório Cavendish em Cambridge, com a intenção de rachar a própria estrutura de DNA, usando uma abordagem de construção de modelos.

Tinham a idéia de que a estrutura do DNA tinha que permitir que a molécula se copiasse durante a divisão celular, para que uma réplica exata de seu código – que, mais uma vez, estava embutida na estrutura – pudesse passar para cada nova célula. Uma visita a Cavendish por Chargaff em 1952 levou a pensar que talvez a seqüência de bases pudesse representar os genes em um código químico. Enquanto isso, Pauling publicou um artigo sobre a estrutura do DNA, mas continha um erro grave (ele colocou os grupos de fosfato no interior). A entrada deste gigante científico na raça estimulou Crick e Watson a maiores esforços, enquanto Wilkins e Franklin não estavam realmente a dar-se bem e estavam a fazer poucos progressos com o ADN.

Um momento seminal veio quando Wilkins mostrou a Watson uma das fotos de Franklin da chamada forma B do DNA. Estudos anteriores tinham usado a forma A, que contém menos água e levou a imagens que eram difíceis de analisar. Esta imagem, pelo contrário, era muito simples e parecia apontar claramente para uma estrutura helicoidal para a molécula. Como Watson o coloca em suas famosas memórias: “No instante em que vi a imagem, a minha boca caiu aberta e o meu coração começou a correr”.

A construção do modelo – usando placas metálicas para os nucleotídeos e varetas para as ligações entre eles – agora começou a sério. Mas Crick e Watson não sabiam se deveriam construir sua hélice com os fosfatos dentro ou fora, e não sabiam como incorporar as idéias de Chargaff no emparelhamento de bases.

A última pista veio de outro visitante da Cavendish, o químico americano Jerry Donohue, que apontou como a ligação por hidrogênio permite que A se ligue a T e C a G. Isto permite uma estrutura helicoidal dupla para o DNA, onde os dois fios têm as bases no interior, emparelhadas, e os fosfatos no exterior.

A verdadeira beleza do modelo que Crick e Watson construíram foi que a estrutura imediatamente sugeriu a função. Como eles insinuaram, no seu papel da Natureza: “Não nos escapou que o par específico que postulamos sugere um possível mecanismo de cópia para o material genético”.

A molécula de DNA é auto-replicável (como foi provado por experimentos alguns anos depois) porque pode se desenrolar em dois únicos fios. Cada base atrai então a sua base complementar, através da ligação de hidrogênio, de modo que duas novas hélices duplas são montadas.

Franklin e Wilkins não perderam completamente o crédito pela estrutura do DNA; seus próprios trabalhos separados foram publicados de trás para a frente com Crick e Watson no mesmo número da Nature. Crick, Watson e Wilkins ganharam o prêmio Nobel por seu trabalho em 1962 (Franklin morreu de câncer aos 37 anos de idade em 1958).

A descoberta da estrutura do DNA foi o início de uma nova era na biologia, levando, nas duas décadas seguintes, à rachadura do código genético e à realização de que o DNA direciona a síntese de proteínas. Também houve avanços técnicos, como a sequenciação do ADN, a engenharia genética e a clonagem de genes. Mais recentemente, as seqüências completas de muitos organismos foram resolvidas – incluindo o genoma humano em junho de 2000. Os próximos 50 anos da história do DNA serão todos sobre a realização dos benefícios práticos da descoberta de Crick e Watson para a humanidade – na indústria, medicina, alimentação e agricultura.

Fonte: Chemistry in Britain

Acknowledgements

Susan Aldridge

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