O DNA é o Material Hereditário

 

Como foi determinado que o DNA é o Material Hereditário?

As revolucionárias experiências de Griffith (1928), seguido de Avery, MacLeod & McCartey (1944) e na década seguinte por Hershey e Chase (1952), contestaram a ideia corrente na época de que as proteínas seriam o material genético.

 “Na primeira metade do século vinte, os princípios genéticos da herança, estabelecidos por Gregor Mendel, tornaram-se amplamente aceitos, mas a natureza química do material hereditário continuava desconhecida. Os cientistas sabiam que os genes localizavam-se nos cromossomos e que os cromossomos constituíam-se de DNA e Proteínas. Todavia, naquele tempo, as proteínas configuravam-se como a melhor opção para ser o material genético uma vez que análises químicas haviam demonstrado que as proteínas são mais variadas do que o DNA, tanto em composição química quanto em propriedades físicas.

 Assim, os cientistas se surpreenderam quando o DNA foi identificado como sendo o material hereditário. Esta proposta inovadora resultou de uma série de experiências com bactérias e bacteriófagos (vírus que infectam bactérias), quando foi demonstrado que o DNA era transferido de uma geração a outra e tinha a habilidade de transformar as propriedades da célula receptora.” (veja artigo de O’Connor, C. 2008, sobre o assunto)

 Depois da terrível epidemia de gripe de 1918, governos de vários países começaram a investir na produção de vacinas que impedissem a propagação de doenças infecciosas. Na Inglaterra, o microbiologista Frederick Griffith estava estudando a bactéria Streptoccus streptococcus pneumoniae bpneumoniae causadora de pneumonia no ser humano e letal aos camundongos. Esta bactéria sofria uma variação dramática tanto na sua aparência como na sua virulência, ou seja, na sua habilidade de provocar doença. O tipo (linhagem) virulento possuía uma cápsula externa, de polissacarídeos, que dava uma aparência lisa (S, de smooth, em inglês) às colônias bacterianas crescidas em meio sólido (Agar). A linhagem não virulenta não possuía cápsula e a aparência das colônias crescidas em meio sólido era rugosa (R).

Camundongos injetados com a linhagem S morriam dentro de poucos dias após infecção enquanto camundongos injetados com linhagens R não morriam porque as células brancas do sangue do camundongo atacavam o invasor R destruindo-o, uma vez que ele não possuía a cápsula protetora das virulentas S.

Quando células da linhagem S eram mortas pelo calor e depois inoculadas no camundongo, não causavam bacteremia (infecção bacteriana). Células vivas da linhagem R também não causavam bacteremia, pois esta linhagem não é patogênica. Porém, quando inoculou no camundongo, células S mortas pelo calor misturadas com células R vivas, nenhuma das quais provoca a morte do camundongo, surpreendeu-se ao constatar que os camundongos desenvolviam uma bacteremia idêntica àquela observada quando infectados com a linhagem S viva.  Além disto, as bactérias isoladas do camundongo morto pela infecção tinham cápsulas lisas idênticas a da linhagem S. Portanto, as bactérias mortas liberavam algum fator no meio, capaz de transformar uma bactéria não patogênica em bactéria patogênica.

Diante destes resultados Griffith propôs que um componente químico de células S mortas pelo calor havia transformado células R na forma virulenta S (Griffith, 1928). Todavia, Griffith não pode identificar a natureza química deste principio transformante, a não ser que era capaz de sobreviver ao tratamento térmico, o que hoje sabemos ser uma propriedade do DNA.DNA_material genético 2

Que componente da célula S morta teria sido responsável pela transformação ocorrida?

Dezesseis anos mais tarde, em 1944,  Avery, MacLeod e McCarty analisaram o fenômeno de transformação in vitro, ou seja, observaram a variação de morfologia das colônias (lisa ou rugosa) em placas de Petri, sem inocular no camundongo e testaram a capacidade de diferentes macromoléculas transformarem células R em S.

Demonstraram, então, que a capacidade transformante das células S mortas seria perdida se o extrato fosse tratado com enzimas que destruíssem o DNA (DNases). Para realizar este ensaio, preparam um extrato de células S mortas e separaram as diferentes classes de moléculas existentes no extrato: DNA, RNA, proteínas, polissacarídeos e lipídios. A seguir, testaram a capacidade transformante de cada uma delas separadamente.

Com tais testes ficou claro que os polissacarídeos não transformavam as células rugosas, apesar da capa de polissacarídeos estar envolvida na patogenicidade. Proteínas, lipídios ou RNA, também não possuíam capacidade transformante. Somente o DNA induzia a transformação das células R. Como contra prova, o extrato bruto foi colocado em presença de enzimas degradativas. Os extratos das células S mantinham sua capacidade transformante após tratamento com enzimas que degradavam proteínas, lipídios, polissacarídeos ou RNA. Todavia, quando tratavam o extrato das células S com DNAses, perdia a capacidade transformante, ou seja não transformava mais células R em células S (não apareciam colônias lisas). A seguir um esquema simplificado dos testes realizados.

principio transformante2

Desta forma foi possível deduzir que o DNA era o agente responsável pelo desenvolvimento da capa de polissacarídeos e pela patogenicidade a ela associada.

Veja aqui a sequência animada destes testes. Uma revisão interessante.

Ainda assim, o mundo científico não acreditou nas evidências. Nestes anos as atenções estavam voltadas para outros assuntos, como por exemplo, guerras! Além disto, era difícil abandonar uma ideia como a da proteína, baseada em vários “argumentos” como complexidade, diversidade e múltiplas conformações, para substituí-la por uma molécula simples e regular de apenas 4 tipos de bases. Assim, somente em 1952, um novo trabalho, realizado por Hershey & Chase,  viria confirmar a proposta de Avery, MacLeod & McCarty (1944). Desta feita o mundo científico já estava mais preparado para encarar a novidade.

Hershey & Chase (1952) trabalhando com o bacteriófago T2, demonstraram o papel do DNA na produção de novos fagos durante o processo infeccioso. Uma vez que os fagos são estruturas muito simples, constituindo-se basicamente de uma capa proteica envolvendo uma molécula de ácido nucleico, os pesquisadores aproveitaram-se disto marcando radiativamente os componentes proteico ou nucleico e medindo a radiatividade intra e extracelular após infecção das bactérias Escherichia coli pelos fagos marcados. Com este experimento demonstraram que, também em vírus, o DNA era o material genético.hershey&chase

Não deixe de assistir  a aula do Prof. Eric Lander (MIT) sobre os avanços na caminhada que levou ao reconhecimento do DNA como material hereditário e da fantástica estrutura da dupla hélice que assegurava sua transmissão inequívoca para as futuras gerações sem perder, contudo, a flexibilidade de sorte a permitir a incorporação de pequenos erros (mutações) que  ao se expressarem contribuem para a variabilidade dos seres vivos: DNA Structure and Classic Experiments.

 Transfecção

Atualmente, o desenvolvimento científico e tecnológico tem permitido a incorporação e expressão de DNA “estrangeiro” em diferentes organismos. Bactérias podem expressar genes típicos de eucariotos como os que codificam o fator VIII de coagulação do sangue ou a insulina e cuja produção em grande escala é de enorme interesse à medicina.

Quando células eucarióticas são transformadas o processo é denominado transfecção porque o termo transformação já era utilizado para significar crescimento canceroso. Os eucariotos (animais ou plantas) que incorporam DNA estrangeiro na linhagem germinativa são denominados transgênicos.mouse transgenico

O experimento realizado em 1982 por Palmiter, Brinster e colaboradores, mostra um camundongo transgênico que recebeu e expressou o gene que codifica hormônio de crescimento de rato, ao lado de um camundongo não transgênico.

Por outro lado, Wood e colaboradores (1989) transfectaram uma planta de fumo (tabaco) com o gene da luciferase de vaga-lume.luciferase trans

A luciferase é uma enzima que catalisa a oxidação ATP-dependente de luciferina, o que leva a emissão de luz. Quando as plantas transfectadas foram aguadas com luciferina elas se tornam luminescentes.

Tanto o camundongo como a planta receberam DNA exógeno que foi incorporado e se expressou provocando alteração fenotípica no organismo transgênico.

 Assim, atualmente, a demonstração de que os ácidos nucleicos são os armazenadores da informação genética é facilmente verificada nos experimentos de transferência de genes de um para outro organismo, mesmo entre indivíduos tão díspares quanto uma planta de fumo e um vagalume.

O RNA como material genético

As vezes, o RNA é o Material Genético. Isto ocorre em alguns vírus, estas incríveis partículas transportadoras de informação genética protegida por estruturas proteicas variadíssimas e capazes de infectar células animais, vegetais e bacterianas, impondo uma novidade informacional que influenciará o comportamento da célula hospedeira.

Em alguns vírus, o RNA é o material genético. Este é o caso, por exemplo, do vírus TMV (do inglês, Tobacco Mosaic Virus) e do vírus HRV (do inglês, Holmes Rib-grass Virus). Cada um deles é constituído de uma única molécula de RNA empacotada numa estrutura proteica helicoidal constituída de milhares de cópias de um único tipo de proteína específica para cada tipo de vírus. Ambos causam lesões nas folhas da planta infectada, porém as lesões são diferentes. Em 1955, Fraenkel-Conrat & Williams mostraram que os componentes proteicos e nucleicos dos vírus podiam ser separados in vitro e as partículas poderiam ser reconstituídas com os componentes trocados (quimeras).TMV HRV 2

Valendo-se disto, Fraenkel-Conrat & Singer (1957) reconstituíram partículas virais trocando os componentes, ou seja, o RNA do TMV reconstituído com a proteína do HRV e vice-versa. Quando as partículas reconstituídas infectavam uma planta, as novas partículas fágicas (progênie) provocavam nas folhas um tipo de lesão associada ao RNA da quimera e as novas partículas virais apresentavam capa proteica do tipo original. Logo, o RNA era o material genético.

Links:

Tobaco Mosaic Vírus – TMV    

Vírus de RNA

 Camundongos Transgênicos

 A SEGUIR: A LÓGICA de DUPLICAÇÃO do MATERIAL HEREDITÁRIO