Friedrich Miescher

Johann Friedrich Miescher. Nasceu em Basileia, a 13 de Agosto de 1844, e, faleceu em Davos, a 26 de Agosto de 1895. Miescher foi um bioquímico suíço que descobriu o ácido desoxirribonucleico em 1869. Seu objetivo era identificar os componentes químicos do núcleo celular. Miescher descobriu então no núcleo celular uma substância desconhecida dos químicos, rica em átomos de fósforo e de nitrogênio, que foi denominada nucleína, e depois ácido nucléico. Por volta de 1920 já sabia que os ácidos nucléicos eram constituídos por três tipos de substâncias químicas: açúcares, ácido fosfórico e bases nitrogenadas. E foi descoberto o RNA (ácido ribonucléico). Na época a descoberta causou um certo impacto na população e na Igreja.

Descoberta do DNA

A história do ADN começa no final da década de 1860, com a chegada do médico suíço Friedrich Miescher (1844-1895) à Universidade de Tübingen, uma pacata cidade no sul da Alemanha. O jovem pesquisador estava disposto à dedicar-se ao estudo da química da célula e escolheu essa universidade porque nela o químico Felix Hoppe-Seyler (1825-1895) havia inaugurado um

Felix Hoppe-Seyler

importante laboratório de química fisiológica. Na época floresciam ideias a respeito das origens e funções das células, após a queda da teoria da geração espontânea. A teoria celular estabelecia-se como um dos pilares da Biologia. Por tudo isso, as células atraíam a atenção de estudantes entusiasmados, como Miescher. Felix Hoppe-Seyler foi quem primeiro descreveu as interações entre a hemoglobina, a proteína responsável pela cor do sangue, e o gás oxigênio. Seu trabalho levou-o a interessar-se pela composição bioquímica dos linfócitos. Mas Miescher enfrentou dificuldades para obter amostras com linfócitos em quantidade e grau de pureza adequados. Por sugestão de Hoppe-Seyler, Miescher começou a estudar a química das células do pus; o material para a pesquisa era abundante, pois dezenas de bandagens com material purulento eram diariamente descartadas por um hospital próximo à universidade. Miescher desenvolveu técnicas adequadas para o isolamento das células presentes em pus das bandagens e para a sua análise química. O objetivo inicial era investigar as proteínas celulares, um grupo de substâncias descoberto cerca de trinta anos antes. Em um dos seus muitos experimentos com células do pus, Miescher obteve um precipitado que diferia quimicamente de todas as substâncias protéicas conhecidas. Ele descobriu que a nova substância concentrava-se no núcleo celular, na época considerado uma estrutura de pouca importância para o funcionamento celular. Aprimorando os métodos de extração e purificação da nova substância, Miescher pôde realizar uma análise química mais precisa, que mostrou que as quantidades relativas de hidrogênio, carbono, oxigênio e nitrogênio presentes diferiam das encontradas em proteínas, além de uma quantidade incomum de fósforo. À substância descoberta Miescher denominou nucleína, pelo fato de ela estar concentrada no núcleo das células. O trabalho sobre nucleína só foi publicado em 1871, após certa resistência do editor da revista científica, o próprio Hoppe-Seyler, que, no início, não acreditou nos resultados apresentados por Miescher. Mesmo depois da publicação do trabalho, muitos pesquisadores continuaram duvidando da existência da nucleína; na opinião deles, o achado de Miescher devia ser uma mistura de fosfato inorgânico e proteínas.

Elucidação da composição química

Albrecht Kossel

As desconfianças quanto à real existência da nova substância descrita por Miescher só foram superadas por volta de 1889, quando Richard Altmann (1852-1900) obteve preparações altamente purificadas de nucleína, sem nenhuma contaminação por proteínas. Pelo fato de a substância ter caráter ácido, o que já havia sido detectado por Miescher, Altmann sugeriu que ela fosse chamada de ácido nucléico em vez de nucleína. Outro pesquisador pioneiro na descoberta foi Albrecht Kossel (1853-1927). Em 1877, ele juntou-se ao grupo de pesquisa de Hoppe-Seyler, então trabalhando na Universidade de Estrasburgo (França), e começou a estudar a composição química das nucleínas. Kossel detectou dois tipos de bases nitrogenadas já conhecidas, a adenina e a guanina. Em 1893, identificou uma nova base nitrogenada, que era liberada pela degradação de nucleína da células do timo; por isso denominou-a timina. Logo em seguida, descobriu que a nucleína continha um quarto tipo de base nitrogenada, a qual denominou citosina. Em 1894, o grupo liderado por Kossel descobriu que os ácidos nucléicos continham também pentose, um açúcar com cinco átomos de carbono. Em reconhecimento

Richard Altmann

às suas contribuições na área, foi agraciado em 1910 com o Nobel de Fisiologia ou Medicina. Em 1909, Phoebus Levene e Walter Abraham Jacobs (1883-1967) conseguiram determinar a organização das moléculas de fosfato, de pentose e base nitrogenada no ácido nucléico. Esses três componentes estão unidos entre si formando uma unidade fundamental, o nucleotídeo. Em 1929, Levene e colaboradores identificaram pentoses componente do ácido nucléico das células do timo, que denominaram 2-deoxi-D-ribose, pelo fato de ela possuir, no carbono 2 de sua cadeia, um átomo de oxigênio a menos que a ribose, uma pentose já conhecida, encontrada pelos pesquisadores em dois tipos de ácidos nucléicos: o ácido ribonucléico, ou ribose, e o ácido desoxirribonucléico, ou ADN, cujo açúcar é a desoxirribose.

Descoberta da transformação

Frederick Griffith em 1936.

Frederick Griffith fez uma importante observação no curso dos experimentos com a bactéria Streptococcus Pneumoniae em 1928. Esta bactéria, que causa pneumonia em humanos, normalmente é letal em camundongos. Entretanto algumas linhagens desta espécie de bactérias eram menos virulentas (menos capazes de causar doenças ou morte). Nos experimentos de Griffith, ele usou duas linhagens distinguíveis pelas suas colônias quando cultivadas em laboratório. Uma linhagem era um tipo normalmente virulento e mortal para a maioria dos animais de laboratório. As células desta linhagem estão envoltas em uma cápsula de polissacarídeo, dando às colônias em aspecto liso, sendo esta linhagem identificada com S (smooth, em inglês). A outra linhagem de Griffith era um tipo mutante não virulento que crescia em camundongos. Nesta linhagem, a capa de polissacarídeo está ausente, dando às colônias um aspecto rugoso. Esta linhagem é chamada R (rough, em inglês). Griffith inativou algumas células virulentas a alta temperatura. Injetou então as células mortas por aquecimento nos camundongos. Os camundongos sobreviveram, mostrando que os restos das células não causam morte. Entretanto os camundongos injetados com uma mistura de células virulentas mortas por aquecimento e células não virulentas vivas morreram. Além disso, as células vivas podiam ser recuperadas de camundongos mortos. Estas células deram colônias lisas e foram virulentas em uma injeção subsequente. De algum modo, os restos das células S aquecidas haviam convertido células R vivas em células S vivas. A etapa seguinte era determinar que componente químico das

Oswald Avery

células doadoras mortas havia causado esta conversão. Esta substância tinha mudado o genótipo da linhagem receptora e portanto podia ser uma candidata a material genético. Este problema foi resolvido pelos experimentos feitos em 1944 por Oswald Avery e dois colegas, C. M. Macleod e M. McCarty. Seu enfoque ao problema foi destruir quimicamente todas as principais categorias de substâncias no extrato de células mortas, uma de cada vez, e descobrir se o extrato havia perdido a habilidade de conversão. As células virulentas possuíam uma capa lisa de polissacarídeo, enquanto as células não virulentas, não. Assim os polissacarídeos eram um candidato óbvio a ser o agente responsável. Entretanto, quando os polissacarídeos foram destruídos, a mistura ainda era capaz de conversão. As proteínas, gorduras e ácido ribonucléico (ARN) foram todos excluídos. A mistura só perdia a sua capacidade de conversão quando a mistura doadora era tratada com enzima desoxirribonuclease (DNase), que quebra o ADN. Estes resultados indicavam fortemente que o ADN era o material genético. Hoje sabemos que os fragmentos do ADN transformante que conferem virulência entram no cromossomo bacteriano e substituem suas contrapartes que conferem não-virulência.

Experimento de Hershey-Chase

Alfred Day Hershey

Os experimentos feitos por Oswald Avery e seus colegas foram definitivos, mas muitos cientistas mostraram-se muito relutantes em aceitar o ADN (e não as proteínas) como material genético. Evidências adicionais foram publicadas em 1952 por Alfred Day Hershey e Martha Chase, cujo experimento com o fago T2, um vírus que transfecta na bactéria a informação específica para a reprodução viral. Se eles pudessem descobrir que material o fago transmitia à bactéria hospedeira, determinariam o material genético do fago. O fago tem uma constituição molecular relativamente simples. A maior parte de sua estrutura é de proteína, com o ADN contido dentro da capa de proteína de sua "cabeça". Hershey e Chase decidiram marcar o ADN e a proteína usando radioisótopos, de modo que pudessem rastrear os dois materiais durante a infecção. O fósforo não é encontrado nas proteínas mas é uma parte integrante do ADN. Contrariamente, o enxofre está presente nas proteínas mas nunca no ADN. Hershey e Chase incorporaram o

Martha Chase

radioisótopo de fósforo (³²P) no ADN do fago e o enxofre (³⁵S) nas proteínas de uma cultura separada de fagos. Eles então infectaram duas culturas de Escherichia coli com muitas partículas de vírus por células: uma cultura de E. coli recebeu fagos marcados com ³²P e a outra recebeu fagos

Estrutura do fago T2

marcados com ³⁵S. Decorrido tempo suficiente para que ocorresse a infecção, os cientistas removeram as embalagens de fago (chamadas ghosts) das células bacterianas por agitação em um liquidificador. Eles separaram as células bacterianas dos envoltórios dos fagos em uma centrífuga e então mediram a radioatividade nas duas frações. Quando o fago marcado com ³²P foi usado para infectar E. coli, a mais alta radioatividade foi encontrada dentro das bactérias, indicando que o ADN do fago havia entrado nas células. Quando era usado o fago marcado com ³⁵S, maior parte do material radioativo estava nos invólucros dos fagos, indicando que a proteína do fago nunca entrava nas bactérias. A conclusão era inevitável: o ADN era o material hereditário. As proteínas do fago eram apenas embalagens estruturais abandonadas após o ADN viral entrar na bactéria.

Histórico do estudo do DNA

Até 1899

1865 - Gregor Mendel publica trabalho sobre experimentos com ervilhas em que propõe as leis da hereditariedade e supõe que as características hereditárias são transmitidas em unidades.
1869 - O suíço Friedrich Miescher isola, a partir do pus humano e do esperma do salmão, uma substância com alto teor de fósforo que chama de "nucleína", posteriormente denominada "ácido desoxirribonucléico" (ADN).
1882 - O alemão Walter Flemming descobre corpos com formato de bastão dentro do núcleo das células, que denomina "cromossomas".

1900 até 1919

1900 - O holandês Hugo de Vries, o alemão Carl Correns e o austríaco Erich Tschermak von Seysenegg chegam de forma independente aos resultados de Mendel sobre as leis da hereditariedade.
1902 - O norte-americano Walter Sutton e o alemão Theodor Boveri dão início à teoria cromossômica da hereditariedade.
1909 - O dinamarquês Wilhelm Johannsen introduz o termo "gene" para descrever a unidade mendeliana da hereditariedade. Utiliza os termos "genótipo" e "fenótipo" para diferenciar as características genéticas de um indivíduo de sua aparência externa.
1915 - O norte-americano Thomas Hunt Morgan e outros publicam o livro "O Mecanismo da Hereditariedade Mendeliana", no qual relatam experimentos com drosófilas e mostram que os genes estão linearmente dispostos nos cromossomos.

1920 até 1939

1940 até 1959

James Watson

1949 - O austríaco Erwin Chargaff descobre, nos EUA, uma relação quantitativa entre as bases do ADN: a proporção entre adenina e timina é sempre igual, e o mesmo ocorre entre guanina e citosina.
1950 - Os norte-americanos Linus Pauling e Robert Corey identificam a estrutura molecular básica de proteínas. Eles propõem uma estrutura para o ADN com três cadeias helicoidais entrelaçadas (o modelo da tripla hélice).
1952 - A britânica Rosalind Franklin obtém imagens de ADN , por difração de raios X.
1953 - O norte-americano James Watson e o britânico Francis Crick decifram, em 7 de Março, a estrutura de dupla hélice para o ADN e a publicam na revista "Nature" de 25 de Abril. Em 30 de Maio, também na "Nature", Watson e Crick analisam as implicações genéticas de seu modelo e sugerem um mecanismo para a replicação do ADN.
1958 - Os norte-americanos Matthew Meselson e Franklin Stahl confirmam a hipótese feita por Watson e Crick de que o ADN replica-se de maneira semiconservativa.

1960 até 1979

1972 - O norte-americano Paul Berg obtém moléculas de ADN recombinante, unindo ADN de diferentes espécies e inserindo esse ADN híbrido em uma célula hospedeira.
1975 - Grupos de pesquisa desenvolvem métodos de seqüenciamento de ADN.
1976 - Criada a primeira companhia de engenharia genética, a Genentech.

1980 até 1999

1980 - A Suprema Corte dos EUA decide que formas de vida alteradas podem ser patenteadas.
1982 - O primeiro animal (camundongo) transgênico é obtido nos EUA.
1983 - Companhias nos EUA conseguem obter patentes para plantas geneticamente modificadas. É mapeado nos EUA o primeiro gene relacionado a uma doença, um marcador da doença de Huntington encontrado no cromossoma 4.
1985 - Alec Jeffreys (inglês) descreve técnica de identificação que ficou conhecida como "impressão digital" por ADN.

Os NIH dos EUA aprovam diretrizes gerais para a realização de experimentos com terapia genética em seres humanos.

Ovelha Dolly

1986 - Plantas de tabaco geneticamente modificadas para se tornarem resistentes a herbicida são testadas em campo pela primeira vez, nos EUA e na França.
1988 - Nos EUA, Philip Leder e Timothy Stewart obtêm primeira patente para um animal geneticamente modificado, um camundongo.

1989 - Criação nos EUA do Instituto Nacional para Pesquisa do Genoma Humano (NHGRI), chefiado por James Watson, para determinar toda a sequência do ADN que compõe os cromossomas humanos.
1994 - Liberação de tomate, primeiro alimento geneticamente modificado cuja venda é aprovada pela FDA.
1995 - É obtida a primeira sequência completa de ADN de um organismo de vida livre, a bactéria Hemophilus influenzae.
1997 - Nascimento da ovelha Dolly, primeiro mamífero clonado a partir de uma célula de um animal adulto pelo Instituto Roslin (Escócia). Mapa genético completo do camundongo.

2000 até 2019

2000 - Pesquisadores do consórcio público Projeto Genoma Humano e da empresa privada norte-americana Celera anunciam o rascunho do genoma humano. No Brasil, pesquisadores paulistas anunciam o seqüenciamento do genoma da bactéria Xylella fastidiosa, a causadora da doença do amarelinho em cítricos. O artigo foi destacado na capa da revista "Nature".
12 de Fevereiro de 2001 - É anunciada a publicação da análise da sequência do genoma humano.
2003 - Conclusão parcial da análise da sequência do genoma humano (PGH).