Para os biólogos de todos os lugares, o dia 25 de abril é auspicioso. É o DNA Day e comemora a data em 1953, quando os cientistas Francis Crick, Rosalind Franklin, James Watson e Maurice Wilkins publicaram artigos científicos seminais descrevendo a estrutura helicoidal da molécula de DNA. Em 2003, 25 de abril foi usado para anunciar a conclusão do Projeto Genoma Humano. Agora as festividades anuais comemoram a molécula da vida com novas descobertas. Que melhor momento para fornecer uma nova imagem do DNA?
Eu sou DNA DAVE (ou pelo menos a minha placa de licença desde 1984), e uma das coisas que meu laboratório gosta de fazer é "ver" o DNA. Tiramos imagens do DNA para que possamos medir diretamente coisas que são difíceis de quantificar usando métodos indiretos que geralmente envolvem o sequenciamento das quatro unidades químicas do DNA, chamadas bases.
A primeira imagem reveladora do DNA feita usando difração de raios X. (Raymond Gosling / King's College London) Por exemplo, eu gostaria de saber onde em cada cromossomo o processo de replicação do DNA começa. A duplicação sem erros do DNA é essencial para a produção de células saudáveis. Quando esse processo está incompleto ou interrompido, o resultado pode causar câncer e outras doenças.
Em nossa imagem, essa escadaria de dupla hélice familiar não é visível porque essa perspectiva é ampliada - como olhar o mapa de um país versus uma cidade. Além disso, cada uma dessas moléculas é equivalente a 50.000 voltas da escada helicoidal - um segmento substancial de um cromossomo humano.
Fazendo um mapa de DNA
Esta imagem, tirada com um dispositivo chamado Bionano Genomics Saphyr, apresenta moléculas de DNA individuais - coloridas em azul, verde e vermelho. Esses filamentos de DNA foram alinhados por meio de tubos estreitos - chamados nanocanais - que se encaixam em apenas um pedaço de DNA. Quando o DNA escorrega no tubo, os fios se endireitam.
Toda a molécula de DNA é de cor azul e as marcas verdes são marcos - ou seqüências específicas de DNA que ocorrem em média a cada 4.500 pares de bases. O padrão de pontos de referência fornece uma impressão digital única que nos diz onde estamos ao longo do comprimento de um cromossomo. Os sinais fluorescentes vermelhos marcam os locais onde o DNA começou a se replicar. Esses sites são chamados de “origens de replicação” e são onde o DNA primeiro se desenrola para que o processo de duplicação possa ser iniciado.
Pesquisadores da Bionano Genomics, em San Diego, desenvolveram essa tecnologia de nanochannel para mapear regiões de cromossomos que não eram mapeáveis, devido a seqüências genéticas complicadas que dificultam a determinação da ordem das quatro bases. Este dispositivo resolveu o problema “olhando” para o arranjo de seqüências em uma molécula de cada vez e é capaz de ler 30 bilhões de pares de base em uma hora - o equivalente a 10 genomas humanos.
Minha equipe e a de Nick Rhind, da Universidade de Massachusetts, reconheceram que essa tecnologia de nanochannel nos permitiria realizar um experimento nunca antes tentado: mapear todos os locais onde a replicação do DNA começa simultaneamente em milhões de fibras de DNA.
Antes que uma célula possa se dividir em duas células independentes, o DNA deve fazer uma cópia de si mesmo para que cada uma delas receba um conjunto completo de cromossomos. Para entender como o material genético é duplicado, é essencial saber onde, ao longo do cromossomo, o processo começa. Esse tem sido o maior desafio para estudar como ocorre a replicação de nossos próprios cromossomos e, consequentemente, o que está errado em tantas doenças, como o câncer, em que a replicação dá errado.
Replicação de DNA e câncer
Toda vez que uma célula divide o DNA, a dupla hélice deve duplicar-se para fornecer uma cópia das instruções genéticas para ambas as células. (Soleil Nordic / Shutterstock.com) Origens de replicação têm sido elusivas porque ocorrem em muitos locais em moléculas diferentes, então precisamos observar moléculas únicas de DNA para detectá-las. Embora os cientistas tenham conseguido enxergar moléculas únicas de DNA desde o início dos anos 1960, não sabíamos em que lugar dos cromossomos vinha nenhuma molécula, de modo que não pudemos mapear nada.
Kyle Klein, Ph.D. estudante em meu laboratório, rotulado de células-tronco humanas vivas com moléculas fluorescentes vermelhas que marcavam os locais onde a replicação do DNA estava ocorrendo, que foram mapeadas com o dispositivo Bionano. Essas imagens foram sobrepostas nos mapas de DNA azul e verde das mesmas moléculas de DNA.
Esperamos que esse método transforme completamente nossa compreensão de como os cromossomos humanos se replicam. Além disso, como a maioria das drogas quimioterápicas para o tratamento do câncer e a maioria dos carcinogênicos - ou substâncias químicas cancerígenas - em nosso ambiente atacam o DNA quando ele se replica, esperamos que esse método forneça um teste rápido e abrangente sobre como esses produtos químicos interrompem a replicação do DNA. Também esperamos que isso revele como podemos aliviar essas consequências negativas e como podemos desenvolver tratamentos de quimioterapia melhores e menos tóxicos.
Este artigo foi originalmente publicado no The Conversation.
David M. Gilbert, Professor de Biologia Molecular da Universidade Estadual da Flórida
