A dupla hélice: a corrida para descobrir a forma do DNA

No inverno de 1869, num castelo reformado em Tübingen, um médico suíço de 25 anos chamado Friedrich Miescher lavava o pus de ataduras cirúrgicas usadas. Ele havia recolhido as ataduras numa clínica próxima porque os curativos descartados estavam encharcados de glóbulos brancos, e Miescher queria estudar a química dessas células. A partir dos núcleos delas, ele extraiu uma estranha substância rica em fósforo que se comportava de um modo que ele nunca tinha visto, nem proteína, nem gordura, nem carboidrato. Ele a chamou de nucleína. Sem saber, havia isolado o DNA, e morreu acreditando que se tratava de uma molécula sem importância, sem papel específico na célula.

Oitenta e quatro anos depois, na primavera de 1953, essa mesma molécula se tornaria o objeto mais discutido da biologia. Em poucas semanas intensas, dois homens em Cambridge e um pequeno grupo em Londres definiram qual era de fato a aparência da nucleína, e a resposta reorganizou toda a ciência em torno dela. Esta é a história de como uma molécula sem função se tornou a molécula que carrega as instruções da vida, e da corrida longa, disputada e por vezes mesquinha para descobrir a sua forma.

Uma molécula que ninguém achava que importava

Por décadas após Miescher, quase ninguém acreditava que a nucleína pudesse ser o material genético. O raciocínio parecia sólido na época. Sabia-se que os cromossomos carregavam a hereditariedade, e os cromossomos eram feitos tanto de proteína quanto de DNA. As proteínas são construídas a partir de vinte aminoácidos diferentes, o que lhes conferia uma riqueza evidente, um alfabeto amplo a partir do qual instruções complexas poderiam ser escritas. O DNA, em contraste, continha apenas quatro blocos de construção, as bases adenina, timina, guanina e citosina, e um esqueleto monótono de açúcar e fosfato. Para a maioria dos biólogos, parecia simples e repetitivo demais para codificar algo tão intrincado quanto um organismo. Certamente a mensagem genética residia nas proteínas, e o DNA era apenas um andaime estrutural.

A primeira rachadura séria nesse consenso veio em 1944. No Instituto Rockefeller, em Nova York, Oswald Avery, Colin MacLeod e Maclyn McCarty publicaram um artigo no Journal of Experimental Medicine que retomava um resultado intrigante de 1928. Naquele experimento anterior, o bacteriologista britânico Frederick Griffith havia mostrado que uma cepa inofensiva da bactéria pneumococo podia ser permanentemente transformada numa cepa mortal quando misturada com os restos mortos de células virulentas. Algo naquelas células mortas, que Griffith chamou de princípio transformante, carregava as instruções para a virulência e podia ser herdado pelos descendentes das bactérias vivas. Avery, MacLeod e McCarty se propuseram a identificar quimicamente esse algo e, após anos de purificação cuidadosa, concluíram que o princípio transformante era o DNA, não a proteína. O resultado era inequívoco, mas a comunidade da biologia molecular se recusou em grande parte a acreditar nele por quase uma década, ainda convencida de que uma molécula tão simples não poderia carregar tamanha informação.

O experimento que finalmente resolveu a questão

As dúvidas só se dissiparam por completo em 1952, com um experimento hoje famoso por sua elegância. Em Cold Spring Harbor, Alfred Hershey e Martha Chase estudavam os bacteriófagos, os vírus que infectam bactérias. Um fago é pouco mais do que uma casca de proteína envolvendo um núcleo de DNA, e quando ataca uma bactéria ele injeta seu material genético para sequestrar a maquinaria da célula. A pergunta era simples: quando o fago infecta, ele envia para dentro a sua proteína ou o seu DNA?

Hershey e Chase responderam a isso com marcadores radioativos. Eles cultivaram um lote de fagos com enxofre radioativo, que está presente na proteína mas não no DNA, e outro lote com fósforo radioativo, que está presente no DNA mas não na proteína. Deixaram cada lote infectar bactérias, depois agitaram a mistura num liquidificador e numa centrífuga para arrancar as cascas vazias dos fagos da superfície das células. Quando verificaram para onde havia ido a radioatividade, o fósforo, o marcador do DNA, estava dentro das bactérias, enquanto o enxofre, o marcador da proteína, permanecia fora, nas cascas descartadas. Apenas o DNA havia entrado na célula. Publicado no Journal of General Physiology, o resultado finalmente convenceu a maioria dos biólogos moleculares daquilo que o grupo de Avery havia mostrado oito anos antes. O DNA era o material genético, e a pergunta urgente passou a ser qual era a sua aparência.

Duas pistas escondidas na química

No início dos anos 1950, duas peças cruciais de evidência já estavam sobre a mesa, embora ninguém ainda visse como elas se encaixavam. A primeira veio de Erwin Chargaff, na Universidade Columbia. Entre 1949 e 1950, usando uma técnica então nova chamada cromatografia em papel, Chargaff mediu as proporções das quatro bases no DNA extraído de muitas espécies diferentes. Ele encontrou uma regularidade impressionante. Em cada amostra, não importava o organismo, a quantidade de adenina era quase exatamente igual à quantidade de timina, e a quantidade de guanina era quase exatamente igual à quantidade de citosina. Ao mesmo tempo, a proporção geral de adenina mais timina em relação a guanina mais citosina variava bastante de uma espécie para outra. Essas observações, hoje chamadas de regras de Chargaff, eram uma pista tentadora. Sugeriam que as bases estavam de algum modo emparelhadas, que A pertencia a T e G a C, mas o próprio Chargaff não conseguia dizer por quê, e o significado de seus números permaneceu trancado até que a estrutura fosse conhecida.

A segunda pista veio não da química, mas da física, do modo como o DNA dispersa os raios X. No King's College de Londres, Rosalind Franklin e seu aluno de doutorado Raymond Gosling usavam a difração de raios X em fibras, um método no qual um feixe de raios X é disparado contra uma fibra da molécula e o padrão dos raios dispersos é capturado em filme. As manchas e os arcos desse padrão codificam a geometria repetitiva da molécula, e lê-los é um ofício exigente. Em maio de 1952, Franklin e Gosling produziram a imagem mais nítida até então obtida da forma hidratada e biologicamente relevante do DNA, a chamada forma B. Catalogada simplesmente como fotografia 51, a imagem mostrava uma inconfundível cruz de reflexões em forma de X, um padrão que, para um olho treinado, anunciava, com clareza, que a molécula era uma hélice.

Cambridge, Londres e uma fotografia mostrada sem permissão

A corrida tinha agora dois campos. No King's College, Franklin, Gosling e Maurice Wilkins trabalhavam com os dados de raios X. No Laboratório Cavendish, em Cambridge, James Watson e Francis Crick tentavam deduzir a estrutura construindo modelos físicos, encaixando placas e hastes de metal até que a geometria obedecesse a todas as restrições conhecidas. Os dois grupos eram rivais inquietos, e as relações entre Franklin e Wilkins em particular eram tensas.

Em janeiro de 1953, Wilkins mostrou a fotografia 51 de Franklin a Watson, sem a permissão ou o conhecimento dela. Para Watson, a imagem foi uma confirmação eletrizante de que ele e Crick estavam atrás de uma hélice, e lhes deu pistas quantitativas sobre suas dimensões. O episódio é debatido desde então, porque o trabalho experimental cuidadoso de Franklin alimentou diretamente uma descoberta pela qual ela recebeu pouco crédito na época, e porque ela não foi consultada sobre o uso de seus próprios dados. É uma das razões pelas quais a história da dupla hélice é lembrada tanto por sua ética quanto por sua ciência.

Com a fotografia e as regras de Chargaff em mãos, Watson e Crick passaram fevereiro e a primeira metade de março de 1953 na bancada dos modelos. O avanço veio quando acertaram o emparelhamento das bases. Se a adenina se emparelha com a timina e a guanina se emparelha com a citosina, os dois pares resultantes acabam tendo quase exatamente a mesma largura. Essa largura uniforme significava que as bases emparelhadas podiam se encaixar como degraus dentro de uma hélice de diâmetro constante, com os volumosos esqueletos de açúcar e fosfato correndo suavemente ao longo do lado de fora. A geometria de repente se encaixou, e explicou as regras de Chargaff num único golpe: A é igual a T e G é igual a C porque cada A está ligado a um T e cada G a um C. O modelo foi concluído em 7 de março, e o manuscrito seguiu para a Nature em 2 de abril.

Como a estrutura realmente é, e por que importou de imediato

A molécula que Watson e Crick descreveram é uma dupla hélice destra. Dois esqueletos de açúcar e fosfato alternados se enrolam pelo lado de fora, correndo em sentido antiparalelo, o que significa que as duas fitas apontam em direções opostas. As quatro bases se empilham no núcleo como os degraus de uma escada em espiral, e as duas fitas estão presas uma à outra por pontes de hidrogênio entre pares de bases complementares, a adenina sempre voltada para a timina e a guanina sempre voltada para a citosina. Cerca de 10,5 pares de bases formam uma volta completa da hélice. O artigo que anunciava isso apareceu na Nature em 25 de abril de 1953, com pouco mais de duas páginas e menos de 900 palavras, com uma única figura desenhada pela esposa de Crick, Odile, uma artista. Encerrava com uma das frases mais discretamente famosas da ciência, uma observação de que o emparelhamento específico de bases que eles haviam proposto sugeria de imediato um modo de a molécula se copiar.

Essa única linha contida apontava para o motivo de a estrutura ter importado tão depressa. Três problemas profundos da biologia decorriam da geometria quase de graça. Como as duas fitas são complementares, cada uma pode servir de molde para reconstruir a outra, o que sugeria um mecanismo de cópia, mais tarde confirmado como replicação semiconservativa, em que cada molécula-filha guarda uma fita antiga e ganha uma nova. Como as quatro bases podem ser encadeadas em qualquer ordem ao longo do esqueleto, a estrutura oferecia uma capacidade de carregar informação, com a mensagem genética escrita na própria sequência. E como essa sequência pode mudar, a estrutura oferecia um mecanismo natural para a mutação. Todo o programa de pesquisa da biologia molecular ao longo dos trinta anos seguintes brotou dessas três implicações.

Um prêmio, uma ausência e um argumento que persiste

Em 1962, o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina foi concedido conjuntamente a Watson, Crick e Wilkins por terem decifrado a estrutura molecular do DNA. Rosalind Franklin não estava entre eles. Ela havia morrido de câncer de ovário em abril de 1958, aos 37 anos, e, pelas regras do prêmio, um Nobel não é concedido postumamente, então ela simplesmente não era elegível. Se teria dividido o prêmio caso estivesse viva, e como o crédito deveria ser repartido dado que sua fotografia 51 foi central para a descoberta, é algo debatido desde então e que permanece genuinamente sem solução. O que não está em dúvida é que seus dados experimentais foram indispensáveis, e que o caminho das ataduras encharcadas de pus de Miescher até a escada da dupla hélice passou por muitas mãos, em Cambridge, Londres, Nova York e Cold Spring Harbor, antes de a biologia ser finalmente reconfigurada em torno de uma química.

Principais conclusões

O DNA foi isolado pela primeira vez como uma substância rica em fósforo chamada nucleína por Friedrich Miescher em 1869, mas durante décadas foi descartado como simples demais para carregar a hereditariedade; essa visão só ruiu depois que Avery, MacLeod e McCarty mostraram em 1944 que o DNA era o princípio transformante de Griffith, e depois que Hershey e Chase confirmaram em 1952 que um fago injeta o seu DNA, e não a sua proteína, na célula. Duas pistas se mostraram então decisivas: as regras de Chargaff, de que adenina é igual a timina e guanina é igual a citosina, e a fotografia 51 de raios X de Franklin e Gosling, de 1952, que revelou a forma helicoidal do DNA. Construindo sobre as duas, Watson e Crick descobriram no início de 1953 que os pares A-T e G-C têm a mesma largura e, portanto, se encaixam dentro de uma dupla hélice destra de dois esqueletos antiparalelos de açúcar e fosfato, com pares de bases empilhados e unidos por pontes de hidrogênio e cerca de 10,5 pares por volta, publicada num breve artigo da Nature em 25 de abril de 1953. A estrutura importou de imediato porque sua geometria sugeria a replicação semiconservativa, a informação codificada na sequência e um mecanismo para a mutação, e o Nobel de 1962 foi para Watson, Crick e Wilkins, com Franklin, que havia morrido em 1958, inelegível pela regra do prêmio de não conceder o Nobel postumamente, deixando uma questão ainda debatida sobre como o crédito deveria ter sido dividido.