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O que o Parque Nacional de Yellowstone tem a ver com os avanços da biologia molecular?

por em 06/08/2021 em Ciência, Notícias | Nenhum comentário

O que o Parque Nacional de Yellowstone tem a ver com os avanços da biologia molecular?

Você pode gostar mais de frio ou ser daquelas pessoas que amam o calor, mas a verdade é que o ser humano tem uma faixa de temperatura bem restrita em que consegue sobreviver. A mesma coisa acontece com a maior parte dos seres vivos (tardígrados são uma belíssima exceção). Boa parte desses seres vivos, assim como nós humanos, sobrevive em uma faixa de temperatura considerada amena, nem muito fria, nem muito quente, mas existe um grupo de microrganismos, conhecidos como termófilos, que gostam mesmo é de muito calor. Hoje nós vamos falar de uma bactéria termófila chamada Thermus aquaticus e entender como é que ela foi capaz de mudar o mundo.

Na década de 60, um pesquisador, Dr. Thomas Brock, decidiu procurar vida nas fontes termais do parque de Yellowstone juntamente com seu então aluno Hudson Freeze. Qual não foi a surpresa deles ao descobrir bactérias que sobreviviam a mais de 70ºC! Na época da descoberta, esse pesquisador nem imaginava a sua importância.

“Eu estava livre para fazer o que é chamado de pesquisa básica. E algumas pessoas pensaram que era inútil, porque não se concentrava em propósitos práticos. E perguntavam: para que servirão as bactérias das fontes térmicas de Yellowstone?”

Contou Brock numa palestra em 2019, quando recebeu o título de doutor honorário da Universidade de Wisconsin (fonte). Mas a verdade é que, naquele momento, Thomas Brock estava descobrindo uma das bactérias mais importantes do mundo.

Porém, para poder explicar tamanha importância, vamos ter que desviar do assunto e avançar para a década de 80, quando, outro pesquisador, Dr. Kary Mullis, estava trabalhando em uma nova técnica extremamente inovadora. A técnica, chamada PCR (polymerase chain reaction, ou reação em cadeia da polimerase), consistia em amplificar fragmentos de DNA. Ou seja, fazer várias cópias de um pedaço do DNA até se obter uma quantidade que fosse mais fácil de se trabalhar do que aquele pouquinho extraído das células. Como essa técnica funciona? De maneira bem resumida, ela simula a reação que acontece dentro das nossas células quando replicamos o nosso DNA antes de uma divisão celular.

Ilustração de uma mitose, divisão celular em que o DNA primeiro é duplicado dentro da célula e cada célula-filha tem exatamente o mesmo DNA que a célula original

Figura 1: para que as nossas células se multipliquem, elas precisam passar pelo processo de mitose, cujo primeiro passo é a duplicação da molécula de DNA da célula-mãe para que as duas células-filhas tenham exatamente a mesma cópia desse DNA. Fonte

Tá, mas como é que isso acontece? Bom, dentro da célula temos algumas moléculas muito espertas, chamadas enzimas, que possuem funções específicas. Por exemplo, o primeiro passo para que o DNA seja duplicado é abrir sua fita em formato dupla-hélice e mantê-la aberta para que uma outra enzima, chamada DNA polimerase, vá percorrendo toda essa fita e colocando novas bases nitrogenadas (as famosas letrinhas A, T, C e G) para parear a fita aberta, formando, assim, duas fitas duplas.

Já na reação de PCR, nós adicionamos em tubinhos alguns ingredientes que vão imitar essa reação que acontece naturalmente nas nossas células. Então, adicionamos o DNA, que foi extraído de algum material biológico, as bases nitrogenadas (A, T, C e G), a enzima DNA polimerase e umas moléculas chamadas iniciadores (ou primers), que mostram para a DNA polimerase onde ela tem que começar a trabalhar. O processo ocorre em ciclos e o aumento do número de cópias é exponencial. Após o primeiro ciclo, temos uma molécula transformada em duas, a inicial e uma cópia, após o segundo ciclo, temos 4 moléculas, depois temos 8, 16, 32 e assim por diante. Ao final de 30 ou 35 ciclos de amplificação, temos milhões de cópias do fragmento de DNA que vai ser analisado.

Esquema que demonstra que uma fita é duplicada no primeiro ciclo da PCR, e as duas novas fitas são duplicadas no segundo ciclo, gerando 4 fitas, que vão gerar 8 fitas no terceiro ciclo e assim por diante

Figura 2: Demonstração do aumento exponencial de moléculas de DNA a cada ciclo da PCR. Fonte

Acontece que, na reação de PCR, não é inserida nenhuma enzima que seja capaz de abrir a fita dupla de DNA para que ela possa ser duplicada. Para isso, até hoje, usa-se temperatura elevada (por volta de uns 95ºC), o que fazia, na época do desenvolvimento da técnica, com que a enzima DNA polimerase usada fosse desnaturada. Ou seja, ela perdia sua conformação e capacidade de executar sua função. Isso acontecia porque a enzima utilizada era oriunda de uma bactéria chamada Escherichia coli, cuja temperatura ótima era de 37°C. Então, a cada novo ciclo, quando se aumentava a temperatura para abrir as fitas de DNA, era necessário inserir mais DNA polimerase, tornando a prática cara e trabalhosa.

O que isso tem a ver com as bactérias lá do parque Yellowstone? Bem, elas gostam de viver em temperaturas por volta de 70°C, podendo sobreviver até uns 40 minutos em temperaturas acima de 90°C. Já deu para perceber onde eu quero chegar?

Pois é, essa bactéria se multiplica nas fontes termais há muitos anos, duplicando seu DNA em uma temperatura mais elevada sem problemas. Ou seja, sua enzima DNA polimerase, hoje conhecida como Taq polimerase (Taq vem de Thermus aquaticus mesmo), aguenta a temperatura de desnaturação do DNA da reação de PCR, aos 95°C, e continua ativa por vários e vários ciclos. Basta apenas que, após a abertura da fita de DNA, a temperatura seja reajustada para a sua ideal de funcionamento (perto de 70°C), e ela vai fazer o trabalho direitinho de amplificação do DNA.

Desta maneira, a análise de PCR hoje é feita em ciclos que passam por 3 temperaturas:

  • por volta de 95°C, quando acontece a desnaturação do DNA (abertura da fita dupla),
  • por volta de 55°C, quando os iniciadores se ligam na fita de DNA aberta,
  • e por volta de 70°C, quando a Taq executa seu trabalho lindamente sintetizando novas fitas de DNA a cada ciclo.

O processo todo ocorre em um equipamento chamado termociclador, que é responsável pelas alterações de temperatura, sem precisar que sejam feitas novas adições de qualquer tipo de reagente a cada ciclo.

Esquema simplificado de como funciona cada ciclo de PCR com as etapas de desnaturação (abertura da fita de DNA), anelamento (ligação dos iniciadores nas fitas abertas) e síntese (produção de novas fitas duplas de DNA)

Figura 3: Esquema geral de uma reação de PCR. A etapa 1 é a de maior temperatura, em que a fita de DNA é aberta, a etapa 2 é o momento do anelamento dos iniciadores e a etapa 3 é quando acontece o trabalho da Taq polimerase. Fonte

Após a otimização da técnica, o PCR revolucionou a biologia molecular. Boa parte das técnicas que usamos até hoje são baseadas no PCR, seja o sequenciamento do genoma, testes de ancestralidade ou mesmo diagnóstico de COVID-19. Sabe quando você lê uma reportagem que fala que pesquisadores estão estudando a função de um determinado gene? Provavelmente esses pesquisadores estão fazendo algum tipo de PCR. Sim, desde sua criação, já aperfeiçoamos e inventamos variações da reação com finalidades específicas, mas todas com essa mesma base que eu expliquei ali em cima. Se temos transgênicos hoje, exames forenses mais acurados ou, até mesmo, aquele programa de barraco na TV que faz testes de paternidade, devemos tudo à bactéria Thermus aquaticus, que mora tranquilamente na sua água termal, sem nem imaginar o quão importante ela é, e a Thomas Brock, o pesquisador que fez a sua descoberta.

Voltando à fala de Brock sobre a importância da pesquisa básica, já pensou se não tivéssemos pesquisadores dedicados a ela? E o tanto de inovação que ainda pode surgir a partir de coisas que estão sendo estudadas hoje mas que nós ainda não temos ideia de para que serve? Valorizemos a nossa curiosidade e onde ela pode nos levar. E viva a Taq polimerase.

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