14.1: Base histórica da compreensão moderna

Habilidades para desenvolver

• Explicar a transformação do DNA
• Descreva os principais experimentos que ajudaram a identificar que o DNA é o material genético
• Declare e explique as regras do Chargaff

A compreensão moderna do DNA evoluiu da descoberta do ácido nucléico para o desenvolvimento do modelo de dupla hélice. Na década de 1860, Friedrich Miescher (Figura\(\PageIndex{1}\)), médico de profissão, foi a primeira pessoa a isolar substâncias químicas ricas em fosfato de glóbulos brancos ou leucócitos. Ele chamou essas substâncias químicas (que eventualmente seriam conhecidas como RNA e DNA) de nucleína porque elas estavam isoladas dos núcleos das células.

Figura\(\PageIndex{1}\): Friedrich Miescher (1844—1895) descobriu os ácidos nucléicos.

Link para o aprendizado

Para ver Miescher conduzir um experimento passo a passo, clique nesta análise de como ele descobriu o papel fundamental do DNA e das proteínas no núcleo.

Meio século depois, o bacteriologista britânico Frederick Griffith foi talvez a primeira pessoa a mostrar que a informação hereditária poderia ser transferida de uma célula para outra “horizontalmente”, e não por descendência. Em 1928, ele relatou a primeira demonstração de transformação bacteriana, um processo no qual o DNA externo é absorvido por uma célula, alterando assim a morfologia e a fisiologia. Ele estava trabalhando com Streptococcus pneumoniae, a bactéria que causa a pneumonia. Griffith trabalhou com duas deformações, rugosa (R) e lisa (S). A cepa R não é patogênica (não causa doenças) e é chamada de rugosa porque sua superfície externa é uma parede celular e não tem uma cápsula; como resultado, a superfície celular parece irregular sob o microscópio. A cepa S é patogênica (causadora de doenças) e tem uma cápsula fora da parede celular. Como resultado, ele tem uma aparência suave sob o microscópio. Griffith injetou a cepa R viva em camundongos e eles sobreviveram. Em outro experimento, quando ele injetou em camundongos a cepa S, morta pelo calor, eles também sobreviveram. Em um terceiro conjunto de experimentos, uma mistura da cepa R viva e da cepa S morta pelo calor foi injetada em camundongos e, para sua surpresa, os camundongos morreram. Ao isolar a bactéria viva do camundongo morto, apenas a cepa S da bactéria foi recuperada. Quando essa cepa S isolada foi injetada em camundongos frescos, os camundongos morreram. Griffith concluiu que algo havia passado da cepa S morta pelo calor para a cepa R viva e a transformou na cepa S patogênica, e ele chamou isso de princípio transformador (Figura\(\PageIndex{2}\)). Esses experimentos agora são conhecidos como experimentos de transformação de Griffith.

Figura\(\PageIndex{2}\): Duas cepas de S. pneumoniae foram usadas nos experimentos de transformação de Griffith. A cepa R não é patogênica. A cepa S é patogênica e causa a morte. Quando Griffith injetou em um mouse a cepa S morta pelo calor e uma cepa R viva, o camundongo morreu. A cepa S foi recuperada do camundongo morto. Assim, Griffith concluiu que algo havia passado da cepa S morta pelo calor para a cepa R, transformando a cepa R em cepa S no processo. (crédito “rato vivo”: modificação do trabalho do NIH; crédito “rato morto”: modificação da obra de Sarah Marriage)

Os cientistas Oswald Avery, Colin MacLeod e Maclyn McCarty (1944) estavam interessados em explorar ainda mais esse princípio transformador. Eles isolaram a cepa S dos camundongos mortos e isolaram as proteínas e os ácidos nucléicos, ou seja, RNA e DNA, pois eram possíveis candidatos à molécula da hereditariedade. Eles conduziram um estudo sistemático de eliminação. Eles usaram enzimas que degradaram especificamente cada componente e, em seguida, usaram cada mistura separadamente para transformar a cepa R. Eles descobriram que quando o DNA era degradado, a mistura resultante não era mais capaz de transformar a bactéria, enquanto todas as outras combinações eram capazes de transformar a bactéria. Isso os levou a concluir que o DNA era o princípio transformador.

Conexão de carreira: cientistas forenses e análise de DNA

Evidências de DNA foram usadas pela primeira vez para resolver um caso de imigração. A história começou com um adolescente voltando de Gana para Londres para ficar com sua mãe. As autoridades de imigração do aeroporto suspeitaram dele, pensando que ele estava viajando com um passaporte falsificado. Depois de muita persuasão, ele foi autorizado a ir morar com a mãe, mas as autoridades de imigração não desistiram do processo contra ele. Todos os tipos de evidências, incluindo fotografias, foram fornecidos às autoridades, mas o processo de deportação foi iniciado mesmo assim. Na mesma época, o Dr. Alec Jeffreys, da Universidade de Leicester, no Reino Unido, inventou uma técnica conhecida como impressão digital de DNA. As autoridades de imigração procuraram o Dr. Jeffreys para obter ajuda. Ele coletou amostras de DNA da mãe e de três de seus filhos, além de uma mãe independente, e comparou as amostras com o DNA do menino. Como o pai biológico não estava na foto, o DNA das três crianças foi comparado com o DNA do menino. Ele encontrou uma correspondência no DNA do menino tanto da mãe quanto de seus três irmãos. Ele concluiu que o menino era de fato filho da mãe.

Cientistas forenses analisam muitos itens, incluindo documentos, caligrafia, armas de fogo e amostras biológicas. Eles analisam o conteúdo de DNA do cabelo, sêmen, saliva e sangue e o comparam com um banco de dados de perfis de DNA de criminosos conhecidos. A análise inclui isolamento de DNA, sequenciamento e análise de sequência; a maioria das análises forenses de DNA envolve a amplificação da reação em cadeia da polimerase (PCR) de loci de repetição em tandem curto (STR) e eletroforese para determinar o comprimento do fragmento amplificado por PCR. Somente o DNA mitocondrial é sequenciado para fins forenses. Espera-se que cientistas forenses compareçam às audiências judiciais para apresentar suas descobertas. Eles geralmente são empregados em laboratórios criminais de agências governamentais municipais e estaduais. Geneticistas que experimentam técnicas de DNA também trabalham para organizações científicas e de pesquisa, indústrias farmacêuticas e laboratórios de faculdades e universidades. Os estudantes que desejam seguir uma carreira como cientista forense devem ter pelo menos um diploma de bacharel em química, biologia ou física e, de preferência, alguma experiência trabalhando em um laboratório.

Experimentos conduzidos por Martha Chase e Alfred Hershey em 1952 forneceram evidências confirmatórias de que o DNA era o material genético e não as proteínas. Chase e Hershey estavam estudando um bacteriófago, que é um vírus que infecta bactérias. Os vírus geralmente têm uma estrutura simples: um revestimento proteico, chamado capsídeo, e um núcleo de ácido nucléico que contém o material genético, seja DNA ou RNA. O bacteriófago infecta a célula bacteriana hospedeira ao se fixar em sua superfície e, em seguida, injeta seus ácidos nucléicos dentro da célula. O DNA do fago faz várias cópias de si mesmo usando a maquinaria hospedeira e, eventualmente, a célula hospedeira se rompe, liberando um grande número de bacteriófagos. Hershey e Chase rotularam um lote de fago com enxofre radioativo, ³⁵ S, para rotular a camada protéica. Outro lote de fago foi marcado com fósforo radioativo, ³² P. Como o fósforo é encontrado no DNA, mas não na proteína, o DNA e não a proteína seria marcado com fósforo radioativo.

Cada lote de fago foi autorizado a infectar as células separadamente. Após a infecção, a suspensão bacteriana do fago foi colocada em um liquidificador, o que fez com que a camada do fago se soltasse da célula hospedeira. O fago e a suspensão bacteriana foram girados em uma centrífuga. As células bacterianas mais pesadas se estabeleceram e formaram um pellet, enquanto as partículas mais leves do fago permaneceram no sobrenadante. No tubo que continha fago marcado com ³⁵ S, o sobrenadante continha o fago marcado radioativamente, enquanto nenhuma radioatividade foi detectada na pastilha. No tubo que continha o fago marcado com ³² P, a radioatividade foi detectada no sedimento que continha as células bacterianas mais pesadas, e nenhuma radioatividade foi detectada no sobrenadante. Hershey e Chase concluíram que foi o DNA do fago que foi injetado na célula e transportou informações para produzir mais partículas de fago, fornecendo evidências de que o DNA era o material genético e não as proteínas (Figura\(\PageIndex{3}\)).

Figura\(\PageIndex{3}\): Nos experimentos de Hershey e Chase, as bactérias foram infectadas com fagos radiomarcados com ³⁵ S, que rotula a proteína, ou ³² P, que rotula o DNA. Apenas ³² P entraram nas células bacterianas, indicando que o DNA é o material genético.

Nessa mesma época, o bioquímico austríaco Erwin Chargaff examinou o conteúdo do DNA em diferentes espécies e descobriu que as quantidades de adenina, timina, guanina e citosina não eram encontradas em quantidades iguais e que variavam de espécie para espécie, mas não entre indivíduos da mesma espécie. Ele descobriu que a quantidade de adenina é igual à quantidade de timina, e a quantidade de citosina é igual à quantidade de guanina, ou A = T e G = C. Isso também é conhecido como regras de Chargaff. Essa descoberta se mostrou extremamente útil quando Watson e Crick estavam se preparando para propor seu modelo de dupla hélice de DNA.

Resumo

O DNA foi primeiro isolado dos glóbulos brancos por Friedrich Miescher, que o chamou de nucleína porque estava isolado dos núcleos. Os experimentos de Frederick Griffith com cepas de Streptococcus pneumoniae forneceram a primeira dica de que o DNA pode ser o princípio transformador. Avery, MacLeod e McCarty provaram que o DNA é necessário para a transformação de bactérias. Experimentos posteriores de Hershey e Chase usando o bacteriófago T2 provaram que o DNA é o material genético. Chargaff descobriu que a proporção de A = T e C = G e que o conteúdo percentual de A, T, G e C é diferente para diferentes espécies.

Glossário

transformação

processo no qual o DNA externo é absorvido por uma célula