Replicação do DNA é um processo largamente aleatório

Novas ferramentas de pesquisa estão permitindo ver aspectos totalmente novos do DNA.
[Imagem: G. Pardatscher/TUM]

Replicação passo a passo

Pela primeira vez, cientistas conseguiram ver o passo a passo da replicação de uma única molécula de DNA.

E bastou ver esses passos individuais para constatar que o processo contém muito mais aleatoriedade do que se pensava anteriormente.

Usando uma tecnologia sofisticada de geração de imagens microscópicas e muita paciência, os pesquisadores conseguiram assistir os detalhes do processo de replicação do DNA da bactéria E. coli e medir o tempo que as "máquinas enzimáticas" gastavam nas diferentes etapas.

Quase toda a vida na Terra é baseada na cópia, ou replicação do DNA, de forma que entender como esse processo funciona de fato pode levar a uma grande variedade de descobertas em biologia e medicina.

Como a replicação do DNA funciona

A hélice dupla de DNA é feita de duas fitas que correm em direções opostas. Cada fita é formada por uma série de bases, A, T, C e G - adenina, timina, guanina e citosina, respectivamente -, que se entrelaçam entre as fitas, A com T e C com G.

O primeiro passo na replicação é dado por uma enzima chamada helicase, que desenrola e "descompacta" a hélice dupla em duas cadeias simples. Uma enzima chamada primase liga um "gatilho" a cada fita, que faz com que a replicação comece. Então, outra enzima, chamada polimerase, liga-se ao gatilho e se move ao longo da fita, adicionando novas "letras" para formar uma nova hélice dupla.

Hoje já se conhece moléculas de DNA com seis letras, capazes de evoluir.
[Imagem: American Chemical Society]

Como as duas fitas na hélice dupla correm em direções opostas, as polimerases funcionam de maneira diferente em cada uma delas. Em uma fita - a "fita líder" - a polimerase pode se mover continuamente, deixando uma trilha de novo DNA de cadeia dupla para trás. Mas na outra fita, a "fita retardada", a polimerase tem que se mover em etapas, dando a partida, anexando, produzindo um curto trecho de DNA de cadeia dupla, então retornando e começando de novo.

Os cientistas acreditavam até agora que as polimerases nas duas fitas de alguma forma se coordenavam para que uma não ficasse à frente da outra porque, se isso acontecesse, criaria extensões de DNA de cadeia simples que são altamente suscetíveis a mutações prejudiciais.

Mas não é bem assim que a coisa funciona.

Replicação sem coordenação

Assim que os pesquisadores começaram a monitorar fitas de DNA individuais, eles notaram algo inesperado: A replicação pára imprevisivelmente, e quando começa de novo pode mudar de velocidade.

"A velocidade pode variar em até 10 vezes," contou Stephen Kowalczykowski, professor de microbiologia e genética molecular na Universidade da Califórnia em Davis.

Algumas vezes a cadeia retardada pára, mas a cadeia principal continua a crescer. "Nós demonstramos que não há coordenação entre a síntese das duas fitas. Elas são completamente autônomas," disse Kowalczykowski.

O que parece coordenação é na verdade o resultado de um processo aleatório de partida, parada e velocidade variável. Ao longo do tempo, qualquer polimerase se moverá a uma velocidade média - olhe para uma série de polimerases sintetizando cadeias de DNA ao longo do tempo, e elas apresentarão a mesma velocidade média, mais ou menos como as filas de carros em um congestionamento, onde uma anda mais rápido por um momento, depois pára e a outra avança, e assim por diante.

Além da possibilidade da existência da sétima e da oitava bases do DNA, já se sabe que o DNA pode assumir uma estrutura de hélice quádrupla.
[Imagem: Jean-Paul Rodriguez/Giulia Biffi]

Acelera, breca, espera, acelera

Os pesquisadores também descobriram uma espécie de freio automático na helicase, que descompacta o DNA antes do resto das enzimas.

Quando a polimerase pára, a helicase pode continuar se movendo, potencialmente abrindo uma lacuna de DNA desenrolado que pode ser vulnerável a danos. De fato, o DNA de uma cadeia única exposto dispara um sinal de alarme dentro da célula que ativa as enzimas de reparo.

Mas acontece que, quando ela fica desacoplada e começa a se desviar do resto do complexo de replicação, a helicase diminui seu ritmo em torno de cinco vezes. Então, ela anda mais devagar até o resto das enzimas se ajustarem, e então acelera novamente.

Esta nova visão estocástica é uma novidade absoluta e deverá levar a novas formas de encarar a replicação do DNA e outros processos bioquímicos, diz Kowalczykowski.

"É uma mudança verdadeira de paradigma e detona com uma grande quantidade de livros-texto," disse ele.