“Resolvemos o mistério da vida!”: como foi descoberta a dupla hélice do DNA Duas vezes mais difícil. Esse confronto me deixa com raiva? Eu me sinto inseguro? O que me traz uma sensação de crescimento espiritual, o que me inspira? O que me faz sentir seguro

A beleza e o poder do aparato genético natural, oculto na hélice de DNA de fita dupla, há muito inspiram os cientistas a experimentar a criação de moléculas artificiais à imagem e semelhança base material hereditariedade. Tais tentativas já foram realizadas mais de uma vez, pois o campo de atuação dos cientistas é bastante amplo.

Primeiro, as mudanças feitas pelo homem só podem afetar a chamada parte esquelética do DNA, que consiste em moléculas de monossacarídeos de desoxirribose conectadas por pontes fosfodiéster. Os cientistas já realizaram esses experimentos sintéticos, que levaram à criação dos chamados ácidos nucleicos peptídicos (PNA), ácidos nucleicos treofuranosil (TNA) e alguns outros análogos. No entanto, essas mudanças não afetam os principais partes constituintes, a partir do qual o DNA é criado, bases nitrogenadas - adenina, citosina, timina, uracil e guanina, já que o objetivo de tais transformações era criar moléculas adequadas para uso em organismos vivos - em pesquisas ou para o tratamento de anormalidades genéticas.

Outra estratégia para criar DNA artificial é substituir as bases nitrogenadas naturais por sintéticas ou adicionando novas bases, que também são capazes de interagir de acordo com o princípio da complementaridade.

O fato é que o DNA, por mais complexo que seja, pode muito bem se tornar um consumível para muitas tecnologias do futuro. Há muito DNA natural na Terra, a molécula é conveniente para experimentos de laboratório e pode muito bem se encaixar em linha de produção. Mas o mais importante é que o mecanismo natural de auto-organização de uma molécula abre grandes perspectivas de uso no desenvolvimento de ramos da ciência - nano e biotecnologias e biologia química.

Infelizmente, a eficácia do DNA é limitada por apenas dois pares complementares - guanina-citosina e adenina-timina. Criação de análogos artificiais capazes de substituir ingredientes naturais em uma molécula helicoidal, abriria muito mais possibilidades para as pessoas.

Claro, até agora são apenas fantasias, e o experimento para obter uma molécula de DNA completamente artificial, descrito em artigo "quente" no Journal of the American Chemical Society, foi colocado por cientistas japoneses principalmente por curiosidade. Bem, por razões de prestígio científico, claro.

Masahiko Inuyo e seus colegas conseguiram criar um análogo do DNA, que inclui bases nitrogenadas exclusivamente artificiais.

Como neste caso todas as "pontes de conexão" entre os nucleotídeos - resíduos de desoxirribose e ácido fosfórico - permaneceram as mesmas, essa molécula pode ser chamada nem mesmo de "análogo", mas de DNA. Como nada disso ocorre nos núcleos celulares dos organismos vivos, os cientistas acreditam que o termo "DNA artificial" é mais adequado para isso.

Laboratório de Inuyo, que trabalha em ensino médio Farmácia da Universidade da cidade japonesa de Toyama, tomou como base seus desenvolvimentos anteriores. No passado, eles já mostraram que a guanina na cadeia de DNA pode ser facilmente substituída por um composto isoguanina* capaz de interagir reversivelmente por um mecanismo de ligação de hidrogênio - triplo, como o da guanina. Em preparação para a síntese DNA artificial os cientistas também criaram um complemento "iso-guanina *" "iso-citosina *", "iso-timina *" e "iso-adenosina *".

Tendo sintetizado várias sequências de fita dupla bastante longas com base nessas bases nitrogenadas artificiais, os cientistas compararam suas propriedades com as da cadeia natural.

A proximidade dos parâmetros termodinâmicos e estruturais do DNA artificial e natural permitiu que os cientistas declarassem em voz alta seu sucesso.

A estabilidade térmica do DNA artificial revelou-se muito próxima à de uma amostra natural, apesar da substituição de moléculas e mudanças na proporção da força da interação dos nucleosídeos pelo mecanismo de ligação de hidrogênio e seu encaixe devido ao hidrofílico-hidrofóbico interações.

Nucleosídeos - compostos de resíduos de uma base nitrogenada e carboidrato - ribonucleosídeo e desoxirribonucleosídeo.

Nucleotídeos - ésteres de fosfato de nucleosídeos, fosfatos de nucleosídeos.

Eles retiveram sequências de nucleosídeos artificiais e alta seletividade, também quase tão boas quanto os fragmentos de DNA naturais. Por exemplo, uma sequência de dez nucleotídeos artificiais interage muito fracamente com uma cadeia "quase complementar" a ela, mesmo que pelo menos um dos nucleosídeos não satisfaça a complementaridade. Além disso, essa seletividade, muito próxima da seletividade de uma molécula natural, é fornecida exclusivamente pela interação de nucleosídeos, e não por bases nitrogenadas que não coincidem em tamanho. Em uma molécula natural, o efeito do tamanho leva a uma distorção significativa do esqueleto do carboidrato, fazendo com que a sequência não complementar se torne ainda mais instável.

Além disso, cadeias construídas apenas com substitutos sintéticos timina e adenina, mostraram a capacidade de formar hélices triplas.

Os cientistas atribuem isso à simetria especial das moléculas e esperam que, no futuro, essa característica exótica das bases nitrogenadas sintéticas possa ser usada em tarefas tecnológicas.

Se uma pessoa aprenderá a criar sistemas vivos artificiais com base em seu próprio DNA, criado pela vontade da mente, e não por uma combinação de fatores que deram origem à vida na Terra há bilhões de anos, o tempo dirá. Nesse ínterim, aguardamos um avanço na nanotecnologia, bioquímica e outras áreas da ciência avançada, sobre as quais o Gazeta.Ru com certeza contará.

Na década de 1950, os cientistas não tinham dúvidas de que as características dos organismos vivos eram amplamente predeterminadas antes do nascimento e transmitidas de geração em geração. A criança tem olhos, porque seus pais tinham olhos, e a cor dos olhos não é acidental, assim como a tendência à miopia. O que os pesquisadores não conseguiram entender é onde todas essas informações são armazenadas. Por muito tempo acreditou-se que o portador são as proteínas com sua estrutura complexa, na qual toda a diversidade da vida foi imaginada. Mas em meados da década de 1940, o principal suspeito era o DNA, uma molécula enorme - em humanos, tem cerca de um metro de comprimento - encontrada em quase todos os tipos de células.

O DNA foi descoberto em 1869 pelo suíço Johann Friedrich Miescher, mas ele não deu a descoberta De grande importância: ele estava interessado na estrutura dos glóbulos brancos.

Quem vai descobrir primeiro

Quando Watson começou a trabalhar com Francis Crick em um escritório na Universidade de Cambridge em outubro de 1951, o DNA era composto de quatro blocos de base repetidos com um açúcar e um resíduo de ácido fosfórico, com tanto adenina quanto timina e guanina - como a citosina. Mas como esses componentes estão conectados, os cientistas não tinham ideia.

Supunha-se apenas que o DNA se assemelhava a uma espiral, mais precisamente, a um parafuso, mas se era duplo, triplo ou outro, como as bases estavam localizadas nele, como essa estrutura poderia armazenar e reproduzir informações hereditárias, se é que o fazia - tudo isso permaneceu um mistério. Tendo se conhecido, Watson e Crick rapidamente perceberam que queriam resolvê-lo juntos.

Além de Watson e Crick, mais dois grupos de cientistas tentaram descobrir a estrutura do DNA. Em Londres, Maurice Wilkins e Rosalind Franklin, xingando constantemente, examinaram os raios-x de moléculas cristalizadas, e no Instituto de Tecnologia da Califórnia, o famoso químico Linus Pauling, que já havia sido o primeiro a determinar a estrutura dos componentes da proteína, lutou com o enigma da vida.

Para pesquisa ligações químicas em 1954, ele receberá o Prêmio Nobel. Em seu contexto, Crick e Watson pareciam transeuntes aleatórios: o primeiro era físico por formação e apenas quatro anos antes de mudar para a biologia, e o segundo tinha apenas 23 anos. É verdade que nessa época Watson já tinha um doutorado.

O primeiro modelo de DNA desenvolvido por Watson e Crick consistia em três cadeias com esqueletos de fosfato no meio. Quando o modelo foi mostrado a Franklin, ela riu dos colegas: ela tinha certeza de que os resíduos de ácido fosfórico deveriam estar localizados na parte externa da molécula, e não no centro. O chefe de Watson e Crick, Lawrence Bragg, ficou tão zangado com esse fracasso que os proibiu de continuar sua pesquisa de DNA.

Ainda não acabou tudo

No entanto, um ano depois, Bragg mudou de ideia. O filho de Linus Pauling trabalhou em seu laboratório, que disse que seu pai criou seu próprio modelo de DNA. A auto-estima de Bragg aumentou.

Ele e Pauling eram os maiores especialistas do mundo em seu campo, mas o americano foi o primeiro a determinar a estrutura tanto das grandes moléculas inorgânicas quanto da proteína alfa-hélice. Bragg foi - e ainda é - o mais jovem ganhador do Prêmio Nobel de Física, que ele e seu pai receberam em 1915. Mas desde o final dos anos 1920, ele sempre permaneceu atrás de Pauling.

Um mês depois, em Cambridge, Pauling conseguiu um artigo inédito de Pauling descrevendo o modelo. Para surpresa de todos, o DNA parecia ser uma hélice tripla com estruturas de fosfato no centro, como Crick e Watson haviam proposto um ano antes. Em sua autobiografia, Watson relembrou: "Enquanto Francis se maravilhava com a abordagem inovadora de Pauling à química, comecei a respirar com mais calma. A essa altura, eu sabia que ainda estávamos no jogo."

De acordo com Watson, ele veio a Londres para discutir o artigo de Pauling com Franklin, mas ela não compartilhou seu entusiasmo e disse que a molécula de DNA não poderia ser helicoidal. Talvez Watson estivesse mentindo: o diário de laboratório de Franklin continha registros anteriores de que uma das duas formas de DNA poderia ser uma hélice. De acordo com Watson, este caso foi a gota d'água para Maurice Wilkins, que trabalhou com Franklin. A teimosia dela o incomodou tanto que em seu coração ele tirou um raio-x do DNA da gaveta e o mostrou a Watson. O queixo daquele caiu.

Uma placa quadrada medindo apenas alguns centímetros entrou para a história como "Fotografia 51". Para tirar esta foto, Franklin colocou uma amostra encalhada e cristalizada de DNA humano em uma câmara especial onde os raios-X ricochetearam no filme por mais de 60 horas, formando uma imagem - uma cruz listrada. Para Watson, essa cruz era uma evidência clara de que o DNA consiste em duas fitas torcidas. Franklin não viu.

A beleza está na simplicidade

Os cientistas agora estavam confiantes na forma helicoidal da molécula. Mas eles ainda precisavam explicar como os blocos básicos de construção de duas cadeias diferentes estão conectados no DNA - os pontos pretos na Foto 51. Para fazer isso, Watson reorganizou de maneiras diferentes fórmulas estruturais esses tijolos, mas não houve resultado. Até que o químico americano Jerry Donoghue mostrou a ele um artigo recente onde foram descritas fórmulas ligeiramente diferentes para os blocos de construção do DNA.

Por vários dias, Watson e Crick ponderaram novo modelo, e em 21 de fevereiro de 1953 - exatamente 65 anos atrás - Watson adivinhou que adenina de uma cadeia se combina apenas com timina de outra e citosina - com guanina. Nesse caso, a molécula de DNA se assemelha a uma escada torcida uniformemente com bordas de açúcar, resíduos de ácido fosfórico e degraus paralelos do mesmo comprimento. Essas combinações explicaram por que qualquer molécula de DNA contém a mesma quantidade de adenina com timina e citosina com guanina. Por fim, se cada tijolo tiver apenas um par, a molécula pode se dividir ao meio e formar duas cópias com a mesma informação genética. Os cientistas ficaram impressionados com a simplicidade e beleza da solução.

“Nós resolvemos o mistério da vida!” Francis Crick disse a famosa frase em seu bar favorito em Cambridge, onde ele e Watson comemoraram a inauguração. No entanto, ainda estava longe do reconhecimento universal.

Novo enigma da vida

Em primeiro lugar, os cálculos foram mostrados a Wilkins e Franklin. Esses dois dias os compararam com raios-x e não encontraram contradições. Em março, um rascunho de artigo descrevendo o modelo foi enviado a Pauling. Ele elogiou os colegas, mas não entendeu por que rejeitaram a hipótese de tripla hélice. Para Pauling, tudo se encaixou apenas quando ele chegou a Cambridge e viu as fotos de Franklin.

Em abril, um artigo de Crick e Watson apareceu na revista Nature. Watson, Crick e Wilkins receberam o Prêmio Nobel em 1962. Franklin morreu em 1958 e ficou sem prêmio. Nas décadas seguintes, outros cientistas criaram modelos computacionais tridimensionais, decifraram o DNA de humanos e de outras espécies e, em últimos anos aprenderam a editar os genes registrados no DNA. Um novo mistério surgiu - o que acontecerá com a vida se agora for programada por uma pessoa.

Informações Gerais e Princípios Básicos

Até hoje, sabe-se que o modelo usual de DNA consiste em duas fitas helicoidais que se entrelaçam a certa distância, porém, existem estruturas bem mais complicadas, como o material genético com hélices triplas. formações semelhantes provocam acalorados debates entre os especialistas que estudam esses fenômenos, são realizados simpósios e conferências científicas.

A tripla hélice de ácido nucléico é formada após o entrelaçamento de três oligonucleotídeos. Neste caso, um elo independente está conectado à forma "B" da estrutura de dupla hélice do DNA através ligações de hidrogênio. Um exemplo marcante é a ligação de um oligonucleotídeo da forma "T", que liga suas bases "T" e "A" entre o par principal. Nesse caso, a hélice de ácido nucleico é formada a partir de homopirimidinas sob a influência direta de pontes de hidrogênio.

Além disso, deve-se notar que o modelo descrito é possível a partir de um par de bastões de polipurina e um de polipirimidina, com trigêmeos de bases GGC. Nesse caso, um fio adicional de polipurina é colocado no sulco não glicosídico de uma espiral convencional. Para a formação de uma hélice triplex por hibridização, a presença da complementaridade do oligonucleotídeo e da sequência específica é fator fundamental.

Os triplexes conhecidos hoje podem ser divididos condicionalmente em 2 classes principais: hélices triplas paralelas, bem como pseudo-paralelas. Neste último caso, as polaridades da homopurina e da 3ª cadeia são consideradas opostas.

História

Na forma de suposições, declarações sobre a possibilidade da existência de uma hélice ternária de DNA apareceram em 1953. O famoso geneticista F. Crick, em seu trabalho original na época, assumiu que modelo existente O DNA tem exatamente três, não duas hélices. Porém, como resultado de um longo e árduo trabalho, o cientista chegou à conclusão de que eram as estruturas duplas de DNA a opção certa, já que nas hélices triplas todas as distâncias entre os elementos pareciam insuficientes e os fosfatos carregados com energia negativa, que estão localizados próximos ao eixo, acabarão se afastando um do outro amigo, que por si só não previa a presença de três fios.

Até meados dos anos 80, o estudo das espirais ternárias do código não recebia a devida atenção, e o desenvolvimento da ciência nessa direção não encontrava o devido interesse dos cientistas praticantes. No entanto, depois que uma subespécie única até então desconhecida do ácido nucleico da forma H foi descoberta em 1986, houve um interesse renovado no estudo de construções triplex. Foi a forma ternária que serviu de base a essa estrutura, da qual faz parte metade do segmento homopurina-homopirimidina, que tem a forma de uma espiral pareada e um dos fios da outra parte do mesmo segmento, localizada na o sulco maior.

A descoberta das hélices ternárias do grupo de ácidos nucléicos data de 1957. Os autores desta descoberta são cientistas - Davis, Felsenfeld. Desde então, os principais pesquisadores neste campo estudaram as estruturas e Propriedades quimicas, transfecção de células, bem como múltiplas experiências em vários animais.

Usando as propriedades da hélice ternária em medicina e genética

A construção ternária foi usada com sucesso para purificar o DNA emparelhado. Isso foi possível graças a uma descoberta biotecnológica revolucionária. Este método de dupla purificação de DNA consiste em passar uma solução de ácido nucléico convencional por misturas com outros componentes associados a um oligonucleotídeo, que é o principal fator ou componente na formação de uma estrutura ternária molde. Este método torna possível alcançar uma pureza única da estrutura da matriz a um custo de tempo relativamente pequeno.

É possível a purificação eficiente do cDNA, que contém um ou mais genes de particular interesse para especialistas no campo terapêutico, bem como na medicina geral.

A criação de uma construção de ácido nucleico triplo também pode ser aplicada à purificação do RNA, que consiste em duas fitas entrelaçadas, o que foi comprovado em muitos experimentos práticos de laboratório.

Perspectivas de desenvolvimento

Até o momento, as perspectivas de utilização do modelo triplo e suas Implicações práticas são estudados pelos principais cientistas e especialistas neste campo. A pesquisa moderna visa criar uma estrutura de ácido nucleico humano que possa neutralizar com sucesso impacto negativo qualquer vírus mortal ou bactéria nociva.

Um dos casos curiosos associados à descoberta do molde ternário do DNA é a publicação do conhecido químico Pauling, que, aliás, foi Prêmio Nobel, declarações sobre a descoberta de um projeto semelhante de material genético. No entanto, sua teoria era errônea, pois pesquisas publicadas confirmaram que o modelo apresentado por Pauling era apenas uma versão invertida do modelo de código de par usual, portanto, suas ideias sobre a estrutura tripla dos threads principais estavam incorretas.

Existem muitas lendas e teorias misteriosas que causam a descoberta da terceira cadeia adicional de ácido nucléico como uma espécie de conspiração mundial, que tem como objetivo final a purificação genética do pool genético da Terra. Ao mesmo tempo, muitos amantes do desconhecido publicam evidências e relíquias individuais, que supostamente retratam fios extras na estrutura da matriz humana. Além disso, muitos deles traçam paralelos entre o desenvolvimento de civilizações antigas precisamente com a existência de tal estrutura de código. Assim, o triplo entrelaçamento de fios durante o período do antigo hinduísmo personificava os três deuses principais, dos quais dependia toda a vida no universo.

Várias especulações sobre o tema da influência inexplicável da tripla hélice provavelmente continuarão até a conclusão científica final sobre a influência de tal estrutura de matriz no desenvolvimento do corpo humano.

A dupla hélice do DNA é um dos símbolos da ciência, mas poucos sabem que esse ácido nucléico é capaz de formar mais estruturas complexas. Até recentemente, eles interessavam apenas a químicos e cristalógrafos - acreditava-se que formas não canônicas de DNA não eram encontradas em células vivas. Os biólogos britânicos deram um golpe poderoso nesse estereótipo.

Há uma anedota sobre James Watson, um dos descobridores da dupla hélice do DNA. Certa vez, em um seminário de laboratório em Cold Spring Harbor, quando o mordaz Watson foi mais do que o habitual levado a criticar seus funcionários, um deles tentou argumentar com seu chefe: “Jim, se você tem premio Nobel(um prêmio Nobel), isso não significa que todos os outros não entendam o que estão fazendo." A resposta de Watson revelou-se difícil de traduzir, mas memorável: “Não tenho um Prêmio Nobel, tenho a prêmio Nobel" ("Eu não tenho apenas um Prêmio Nobel, mas o mesmo Prêmio Nobel)", disse ele.

Watson pode ser entendido: a estrutura dupla do DNA publicada por ele junto com Francis Crick não é apenas a descoberta mais importante da biologia do século 20, é também uma imagem de livro didático, um dos principais símbolos da ciência em geral . Provavelmente, é justamente pela fama fenomenal dessa estrutura que poucas pessoas sabem que o DNA não é apenas de fita dupla. E nem todo DNA de fita dupla é o mesmo.

outro duplo

Descoberta de Watson e Crick (com base em dados obtidos por Rosalind Franklin) em por muito tempo ofuscou todas as outras estruturas consideradas alternativas. Isso não é surpreendente: a principal propriedade do modelo é que ele mostra, por sua própria estrutura, como a informação genética pode ser armazenada e copiada.

Após a publicação de Watson e Crick, ficou imediatamente claro que, para reproduzir um ácido nucléico, basta desenrolar suas duas fitas e para cada uma delas, como se fosse de um molde, restaurar um par complementar. Isso explicou imediatamente os mecanismos da hereditariedade e a causa da variabilidade e, em geral, colocou a própria teoria da evolução em um terreno experimental sólido.

Richard Wheeler/Wikipédia

No decorrer de pesquisas posteriores, descobriu-se que a dupla hélice do DNA, em geral, não precisa corresponder exatamente ao modelo Watson-Crick. Físicos que estudaram os espectros de preparações de DNA e seus colegas cristalógrafos descobriram que os mesmos dois filamentos podem ser trançados em uma estrutura mais espessa e espiral íngreme, que é bem diferente do modelo Watson-Crick. Uma volta completa dessa hélice contém 11, não 10 nucleotídeos. Além disso, seus planos giram mais fortemente em relação ao eixo da molécula, devido ao qual um vazio se forma em seu centro (quando visto da “face final”). E os sulcos onde as proteínas estendem seus “tentáculos” na superfície desse DNA são mais rasos.

Essa estrutura, na qual o DNA se dobra quando há falta de umidade, é chamada de formato A, em oposição ao formato B clássico. Esta subespécie de DNA permaneceu um laboratório exótico para os biólogos. Mas descobriu-se que outro ácido nucleico - o RNA, que às vezes também se enrola em espiral, forma exatamente essa estrutura. A mesma coisa acontece com híbridos entre DNA e RNA.

Na década de 1970, uma estrutura de ácido nucléico ainda mais exótica, a forma Z, foi descoberta. Recebeu o nome da aparência curva da linha de nucleotídeos nas cadeias. Existem também duas dessas cadeias na estrutura, como nas formas A e B, mas elas são torcidas não para a direita, mas para a hélice esquerda.

Em contraste com a forma A, a condição para a formação da forma Z canhota acabou não sendo condições específicas ambiente, mas uma sequência especial de nucleotídeos no DNA. Algumas sequências mostraram-se muito propensas à formação de tais formas, e as regiões correspondentes puderam ser encontradas no genoma de muitos organismos.

Forma Z do DNA

Outras formas de DNA também são conhecidas pelos cientistas: a forma C ou, digamos, um complexo trímero formado entre três cadeias diferentes durante a recombinação. A propósito, foi a estrutura de três hélices que foi originalmente considerada por Watson e Crick antes de descobrirem a dupla hélice. O mesmo modelo foi estudado por seus concorrentes - Pauling e Corey.

No entanto, talvez a mais incomum entre as formas conhecidas de DNA seja o chamado G-quadruplex - uma estrutura formada por quatro fitas de ácido nucléico. Foi ela quem conseguiu ser encontrada em grande número nos cromossomos humanos pelos biólogos britânicos.

quádruplo

Os primeiros indícios da possibilidade da formação de tais estruturas foram obtidos muito antes do trabalho inovador de Watson e Crick - já em 1910. Então o químico alemão Ivar Bang descobriu que um dos componentes do DNA - o ácido guanósico - forma géis em altas concentrações, enquanto outros componentes do DNA não possuem essa propriedade.

Em 1962, pelo método de difração de raios X, foi possível estabelecer a estrutura celular desse gel. Acabou sendo composto por quatro resíduos de guanina, ligando-se em um círculo e formando um quadrado característico. No centro, a ligação é sustentada por um íon de magnésio. As mesmas estruturas podem ser formadas no DNA se ele contiver muita guanina. Esses quadrados planos são empilhados, resultando em estruturas bastante estáveis e densas.

Quatro fitas separadas de DNA podem ser tecidas em complexos de quatro fitas, mas isso é uma exceção. Mais frequentemente, uma única fita de ácido nucléico é simplesmente amarrada em um nó, formando espessamentos característicos (por exemplo, nas extremidades dos cromossomos), ou o DNA de fita dupla forma um quadruplex local em algum local rico em guanina.

Julian Huppert / Wikipédia

ônus da prova

Com todas as estruturas de DNA alternativas e não canônicas, os biólogos enfrentam o mesmo problema. O fato é que obter esse DNA em um tubo de ensaio, estabelecer sua estrutura é uma coisa. Mas provar que existe em uma célula viva real, e até mesmo desempenha alguma função importante para essa célula, é outra bem diferente.

Com a forma A do DNA, por exemplo, ainda não está claro se ela tem algum significado para a vida ou se é apenas um artefato de laboratório. Há um pouco mais de dados sobre a forma Z: proteínas que estimulam sua formação foram encontradas em alguns vírus.

Quanto ao G-quadruplex, este é apenas o exemplo mais claro de como nosso conhecimento é limitado métodos existentes. Do ponto de vista da química e da cristalografia, quase tudo se sabe sobre o DNA de quatro fitas, do ponto de vista da biologia, muito pouco se sabe. A mais estudada é a existência de quadruplexes nas extremidades dos cromossomos - nos telômeros. Pelo menos uma região reguladora também é conhecida (no oncogene c-myc) em que tal DNA realmente existe. Mas o quão exótico é esse DNA, e qual é a sua representação nos cromossomos humanos, ainda não se sabe.

Os telômeros são complexos DNA-proteína que surgiram nas células com a transição de cromossomos circulares para lineares. Ao mesmo tempo, surgiu o problema da subreplicação das extremidades: se for bastante simples obter uma cópia completa do DNA circular, o cromossomo linear sempre será ligeiramente encurtado durante a cópia. Esse encurtamento é compensado pela enzima telomerase, que completa as extremidades dos cromossomos com sequências repetidas "sem sentido". Nesse caso, uma das cadeias de DNA no final se torna mais longa que a outra. É essa "cauda" de fita simples que se dobra nas extremidades dos cromossomos em G-quadruplexes.

É claro que é impossível ver a estrutura do DNA através de um microscópio. Também é impossível aplicar a análise de difração de raios X para isso - requer a obtenção de cristais e uma grande quantidade de substância. Para a busca dos quádruplos, já há algum tempo, eram utilizados corantes de baixo peso molecular, predominantemente associados apenas a essa estrutura. Infelizmente, mais tarde descobriu-se que eles não apenas se ligam ao DNA de quatro fitas, mas também estimulam sua formação e, portanto, não são adequados para pesquisa.

Um avanço nessa direção ocorreu depois que foi possível obter anticorpos específicos que se ligam especificamente ao G-quadruplex, mas não afetam de forma alguma sua formação. Para ver um sinal muito fraco de tais anticorpos, os cientistas os usaram em um objeto incomum - ciliados.

Esses organismos unicelulares têm até dois núcleos, um dos quais não é usado (armazenado para reprodução), e no segundo os mesmos cromossomos são replicados em centenas de cópias idênticas. Como resultado, o número de extremidades cromossômicas, onde os quadruplexes estão localizados na composição dos telômeros, também aumenta proporcionalmente. O uso de um objeto tão incomum tornou possível ver DNA de quatro filamentos nas extremidades dos cromossomos, mas até agora ninguém conseguiu vê-los em humanos e mamíferos.

engenheiros de anticorpos

Isso é exatamente o que os pesquisadores britânicos de Cambridge, liderados por Shankar Balasumbranyan, conseguiram. Eles criaram anticorpos especiais que se ligam exclusivamente ao quadruplex e não reagem ao DNA ou RNA de fita dupla ou fita simples. Os anticorpos foram desenvolvidos exclusivamente de forma de engenharia - usando a chamada exibição de fagos, quando bilhões e bilhões de variantes são selecionadas em vitro de acordo com o princípio da especificidade máxima.

Usando esses anticorpos em preparações celulares, os autores viram pontos luminosos nas extremidades dos cromossomos - locais onde o G-quadruplex está presente. Ainda mais interessante é que esses pontos também foram encontrados no corpo dos cromossomos - onde sua existência nunca foi demonstrada experimentalmente.

Claro, havia evidências da presença de tal estrutura na região reguladora de alguns genes associados ao câncer. Além do mais, um grande número de tais pontos (mais de 375 mil) foram previstos simplesmente analisando a sequência do genoma humano. No entanto, ninguém ainda foi capaz de conduzir um estudo experimental e em grande escala ao mesmo tempo.

Os autores mostraram que a distribuição dos quadruplexes de DNA ao longo do genoma varia muito dependendo do estágio do ciclo celular. Isso não é surpreendente do ponto de vista físico - copiar um ácido nucléico sem desenrolar esse nó é impossível. Mas o fato em si, é claro, indica um certo papel funcional de tais sites.

Biffi, G., et al., Nature Chemistry, 2013

No entanto, é muito cedo para dizer que sabemos por que os quadruplexes de DNA são importantes. Existem vários modelos em que esse DNA é um elemento regulador, mas novamente tudo depende da questão de quão justo é transferir o conhecimento obtido “no tubo de ensaio” para o que realmente acontece na célula.

Agora, a principal tarefa dos biólogos moleculares é confirmar as conclusões dos cientistas britânicos de forma independente. Afinal, os métodos relacionados aos anticorpos são conhecidos entre os biólogos pelo fato de às vezes simplesmente se recusarem a trabalhar em mãos "estrangeiras".

Apesar de muitos experimentos de controle bem projetados pelos britânicos, seria bastante imprudente basear conclusões muito abrangentes sobre o papel do DNA de quatro fitas em um estudo. Seria melhor criar uma nova maneira original, independente de anticorpos, de “capturar” G-quadruplexes em cromossomos humanos. Aquele que conseguir pode não poder reivindicar o mesmo "prêmio Nobel", mas tem um lugar garantido na história da ciência.