Em formação

O que torna o DNA helicoidal?


Por que o DNA não é como o RNA; por que o RNA não é como o DNA, isto é, helicoidal? Por que as cadeias de RNA são retas?


A forma de hélice da molécula de DNA é uma consequência de sua estrutura secundária. Refere-se às bases contidas na molécula que emparelham, determinando a estrutura terciária [1].

O basepairing também ocorre no RNA, por isso pode formar uma dupla hélice. Na verdade, o RNA é composto de hélices curtas empacotadas juntas [2]. Os pares de bases mantêm a estrutura helicoidal do DNA, independentemente da sequência de nucleotídeos [3].

Uma fita de ácido nucleico é composta de nucleotídeos unidos por ligações covalentes entre o açúcar de um nucleotídeo e o fosfato do seguinte. Pares de adenina com timina e pares de citosina com guanina por ligações de hidrogênio e formam a estrutura de fita dupla [3]. Como as ligações covalentes são mais fortes do que as ligações de hidrogênio, a estrutura em dupla hélice do DNA é facilmente quebrada pelo calor [4], mas os nucleotídeos permanecem ligados entre si.

Aqui está a molécula de tRNA (você pode ver que tem hélices curtas):


"TRNA-Phe yeast 1ehz" por Yikrazuul - Trabalho do próprio. Licenciado sob CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.

Aqui está a estrutura do DNA:


(fonte: wikimedia.org)
"Animação ADN" por brian0918 ™ - Obra própria. Licenciado sob domínio público via Wikimedia Commons.


Referências:

  1. Colaboradores da Wikipedia, "Nucleic acid double helix," Wikipedia, The Free Encyclopedia, http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Nucleic_acid_double_helix&oldid=609435163 (acessado em 26 de junho de 2014).

  2. Colaboradores da Wikipedia, "RNA", Wikipedia, The Free Encyclopedia, http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=RNA&oldid=612056511 (acessado em 26 de junho de 2014).

  3. Colaboradores da Wikipedia, "DNA", Wikipedia, The Free Encyclopedia, http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=DNA&oldid=611891356 (acessado em 26 de junho de 2014).

  4. Colaboradores da Wikipedia, "Nucleic acid thermodynamics," Wikipedia, The Free Encyclopedia, http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Nucleic_acid_thermodynamics&oldid=606379256 (acessado em 26 de junho de 2014).


O RNA (fita simples ou dupla) pode, na verdade, formar uma hélice na ausência de certas estruturas 3D complexas. A hélice de RNA é normalmente a forma A, em oposição à forma B do DNA típico. A hélice de forma A é destra como a forma B, mas é mais compacta (2,6 Å de aumento contra 3,4 Å) e mais larga (26 Å de diâmetro vs 20 Å). As diferentes hélices surgem do 2'-OH presente no RNA que impede estericamente a formação de uma hélice de forma B (por constrição da ribose a C-3 'endo prega).


[Da Wikipedia. Hélices de DNA de fita dupla. A forma A está à esquerda, a forma B no meio e a forma Z à direita. Existem outras formas não ilustradas aqui.]


[Da Wikipedia. Uma alça em gancho (o resultado do emparelhamento de bases intrastrand em uma única molécula de RNA) que adotou uma hélice de forma A.]


[Apenas enfatizando que um ácido nucleico de fita simples, mesmo sem estrutura secundária, também forma hélices.]


As hélices do DNA e do RNA se formam em solução aquosa por causa da natureza hidrofóbica e aromática (que também implica planar) das próprias bases. Ao formar uma hélice, as bases dentro de uma fita se aproximam, o que é termodinamicamente mais favorável por causa das interações de empilhamento entre os sistemas de anéis conjugados, bem como a exclusão de água de suas superfícies hidrofóbicas (o que aumenta a entropia).


Como fazer uma dupla hélice de DNA a partir de bebês gelatinosos e alcaçuz

Sessenta anos atrás, a revista Nature publicou um artigo de uma página contendo uma figura solitária de duas fitas entrelaçadas. Esta imagem, ou versões dela, são agora tão familiares que são provavelmente a estrutura química mais conhecida. O artigo, é claro, descreveu a dupla hélice do ácido desoxirribonucleico ou DNA.

Em 1953, já se sabia há algum tempo que o DNA carrega informações genéticas e que todos os organismos as contêm. Afinal, extrair DNA é fácil (experimente você mesmo com a receita no final deste artigo). O desconhecido era a estrutura 3D da molécula e, portanto, como ela conseguia armazenar toda essa informação genética.

Resolver o quebra-cabeça era o maior prêmio da biologia molecular na época e o grande Linus Pauling (ganhador de dois prêmios Nobel, um de química e outro de paz) já havia publicado uma estrutura no início de 1953. Infelizmente para ele havia esquecido alguns química bastante fundamental e chegar a uma estrutura totalmente impossível.

Foto 51: Imagem de difração de raios-X que levou à descoberta da estrutura em dupla hélice do DNA. Fotografia: King's College London

Enquanto isso, James Watson e Francis Crick baseavam seu trabalho em uma imagem de difração de raios-X tirada por Rosalind Franklin e Raymond Gosling, conhecida como foto 51.

A imagem de Franklin e Gosling é um cruzamento irregular, a partir do qual é difícil ver como a estrutura do DNA foi calculada. Mas para Franklin e companhia gritou positivamente "hélice".


Por que uma hélice extra se torna uma terceira roda na biologia celular

Todo estudante de biologia do ensino médio sabe que a estrutura do DNA é uma dupla hélice, mas depois que o DNA é convertido em RNA, partes do RNA geralmente se dobram na mesma forma de escada em espiral.

Em uma reviravolta científica literal, os pesquisadores estão encontrando exemplos de uma terceira fita que se envolve em torno do RNA como uma cobra, uma estrutura raramente encontrada na natureza. Pesquisadores descobriram recentemente evidências de uma hélice tripla se formando no final do MALAT1, uma fita de RNA que não codifica para proteínas. Jessica Brown, pós-doutoranda em Yale, e seus colegas que trabalham nos laboratórios de Joan A. Steitz e Thomas A. Steitz descrevem os laços que mantêm a estrutura de uma rara hélice tripla.

Esta fita extra de RNA, que é vista no filme que acompanha, evita a degradação de MALAT1. A formação de uma hélice tripla explica como o MALAT1 se acumula em níveis muito altos nas células cancerosas, permitindo que o MALAT1 promova a metástase do câncer de pulmão e provavelmente outros cânceres.

O trabalho está publicado na revista Nature Structural and Molecular Biology.


Figura 2. O DNA tem uma estrutura de dupla hélice antiparalela, as bases de nucleotídeos são ligadas por hidrogênio e cada fita complementa a outra. O DNA é replicado de uma maneira semiconservadora, cada fita é usada como molde para a fita recém-feita.

Replicação de DNA

Tendo estabelecido algumas características estruturais básicas e a necessidade de um mecanismo semiconservador, é importante começar a entender um pouco do que se sabe sobre o processo e pensar sobre quais perguntas se pode querer responder se quisermos entender melhor o que está acontecendo sobre.

Visto que a replicação do DNA é um processo, podemos invocar a rubrica da história da energia para pensar sobre isso. Lembre-se de que a avaliação da história de energia existe para nos ajudar a pensar sistematicamente sobre os processos (como as coisas vão de A para B). Nesse caso, o processo em questão é o ato de começar com uma molécula de DNA de fita dupla e terminar com duas moléculas de fita dupla. Portanto, faremos uma variedade de perguntas: Como é o sistema no início (matéria e energia) da replicação? Como a matéria e a energia são transferidas no sistema e o que catalisa as transferências? Qual é a aparência do sistema no final do processo? Também podemos fazer perguntas sobre eventos específicos que DEVEM acontecer durante o processo. Por exemplo, como o DNA é uma molécula longa e às vezes circular, podemos fazer perguntas básicas como: onde começa o processo de replicação? Onde isso termina? Também podemos fazer perguntas práticas sobre o processo, como, o que acontece quando uma estrutura de fita dupla é desenrolada?

Consideramos algumas dessas questões-chave no texto e na aula e encorajamos você a fazer o mesmo.

Requisitos para replicação de DNA

Vamos começar listando alguns requisitos funcionais básicos para a replicação do DNA que podemos inferir apenas pensando sobre o processo que deve acontecer e / ou ser necessário para que a replicação aconteça. Então, o que precisamos?

& bull Sabemos que o DNA é composto de nucleotídeos. Se vamos criar uma nova fita, precisaremos de uma fonte de nucleotídeos.
& bull Podemos inferir que construir uma nova fita de DNA exigirá uma fonte de energia & mdashwe deveríamos tentar encontrar isso.
& bull Podemos inferir que deve haver um processo para encontrar um local para iniciar a replicação.
& bull Podemos inferir que haverá uma ou mais enzimas que ajudam a catalisar o processo de replicação.
& bull Também podemos inferir que por se tratar de um processo bioquímico, alguns erros serão cometidos.

Revisão da estrutura de nucleotídeos

Lembre-se de algumas características estruturais básicas dos blocos de construção de nucleotídeos do DNA. Os nucleotídeos começam como trifosfatos de nucleotídeos. Um nucleotídeo é composto de uma base nitrogenada, desoxirribose (açúcar de cinco carbonos) e um grupo fosfato. O nucleotídeo é nomeado de acordo com sua base nitrogenada, purinas como adenina (A) e guanina (G), ou pirimidinas como citosina (C) e timina (T). Lembre-se das estruturas abaixo. Observe que o nucleotídeo trifosfato de adenosina (ATP) é um precursor do desoxirribonucleotídeo (dATP) que é incorporado ao DNA.

Figura 3. Cada nucleotídeo é composto de um açúcar (ribose ou desoxirribose dependendo se ele constrói RNA ou DNA, respectivamente), um grupo fosfato e uma base nitrogenada. As purinas têm uma estrutura de anel duplo com um anel de seis membros fundido a um anel de cinco membros. As pirimidinas são menores em tamanho e possuem uma única estrutura em anel de seis membros. Os átomos de carbono do açúcar de cinco carbonos são numerados 1 ', 2', 3 ', 4' e 5 '(1' é lido como & ldquoone primo & rdquo). O resíduo de fosfato está ligado ao grupo hidroxila do carbono 5 'de um açúcar de um nucleotídeo e ao grupo hidroxila do carbono 3' do açúcar do próximo nucleotídeo, formando assim uma ligação fosfodiéster 5'-3 '.

Iniciação de replicação

Onde ao longo do DNA a máquina de replicação começa a replicação do DNA?

Com milhões, senão bilhões, de nucleotídeos para copiar, como a DNA polimerase sabe por onde começar? Não é de surpreender que esse processo não seja aleatório. Existem sequências de nucleotídeos específicas chamadas origens de replicação ao longo do comprimento do DNA no qual a replicação começa. Uma vez que este site é identificado, entretanto, há um problema. A dupla hélice do DNA é mantida unida por interações de empilhamento de bases e ligações de hidrogênio. Se cada fita for lida e copiada individualmente, deve haver algum mecanismo responsável por ajudar a dissociar as duas fitas uma da outra. Energeticamente, este é um processo endergônico. De onde vem a energia e como essa reação é catalisada? O raciocínio básico deve, neste ponto, levar à hipótese de que um catalisador de proteína está provavelmente envolvido, e essa enzima cria novas ligações que são energeticamente mais favoráveis ​​(exergônicas) do que as que quebra E / OU é capaz de acoplar o uso de uma fonte de energia externa para ajudar a dissociar os fios.

Acontece que os detalhes desse processo e as proteínas envolvidas diferem dependendo do organismo específico em questão, e muitos dos detalhes de nível molecular ainda não foram completamente compreendidos. Existem, no entanto, algumas características comuns na replicação de eucariotos, bactérias e arquéias, e uma dessas características é que vários tipos diferentes de proteínas estão envolvidos na replicação do DNA. Em primeiro lugar, as proteínas geralmente chamadas de "cotiniciadores" têm a capacidade de se ligar ao DNA nas origens de replicação ou muito próximas. A interação das proteínas iniciadoras com o DNA ajuda a desestabilizar a dupla hélice e também ajuda a recrutar outras proteínas, incluindo uma enzima chamada DNAhelicase para o DNA. Nesse caso, a energia necessária para desestabilizar a dupla hélice do DNA parece vir da formação de novas associações entre o DNA e as proteínas iniciadoras e as próprias proteínas. A DNA helicase é uma proteína com várias subunidades importante no processo de replicação porque acopla a hidrólise exergônica do ATP ao desenrolamento da dupla hélice do DNA. Proteínas adicionais devem ser recrutadas para o complexo de iniciação (a coleção de proteínas envolvidas na iniciação da transcrição). Estes incluem, mas não estão limitados a, enzimas adicionais chamadas primasee DNA polimerase. Enquanto os iniciadores são perdidos logo após o início da replicação, o resto das proteínas trabalham em conjunto para executar o processo de replicação do DNA. Este complexo de enzimas funciona em estruturas em forma de Y no DNA, chamadas garfos de replicação (Figura 4). Para qualquer evento de replicação, dois bifurcações de replicação podem ser formados em cada origem de replicação, estendendo-se em ambas as direções. Múltiplas origens de replicação podem ser encontradas nos cromossomos eucarióticos e em algumas arquéias, enquanto o genoma da bactéria, E. coli, parece codificar uma origem de replicação.

Por que diferentes organismos teriam diferentes números de origens de replicação? Qual poderia ser a vantagem de ter mais de um? Existe uma desvantagem em ter mais de um?

Dado o que precisa acontecer nas origens da replicação, você pode usar a lógica para inferir e propor para discussão algumas características potenciais que distinguem as origens da replicação de outros segmentos do DNA?

Figura 4. Na origem da replicação, forma-se uma bolha de replicação. A bolha de replicação é composta por dois garfos de replicação, cada um viajando em direções opostas ao longo do DNA. Entende-se que os garfos de replicação incluem todas as enzimas necessárias para que a replicação ocorra& mdasheles apenas não são desenhados explicitamente na figura para fornecer espaço para ilustrar as relações entre o modelo e as novas fitas de DNA.
Atribuição: imagem original da equipe BIS2A

Alongamento de replicação

A fusão aberta da dupla hélice do DNA e a montagem do complexo de replicação do DNA é apenas o primeiro passo no processo de replicação. Agora, o processo de criação de uma nova vertente realmente precisa ser iniciado. Aqui, desafios adicionais são encontrados. A primeira questão óbvia é determinar qual das duas fitas deve ser copiada em qualquer bifurcação de replicação (ou seja, qual fita servirá como um modelo para a síntese semiconservativa? Ambas as fitas são alternativas igualmente viáveis?). Existe também o problema de realmente iniciar o processo de síntese da nova fita. A DNA polimerase pode iniciar a nova fita por conta própria? A resposta à última pergunta e algumas das razões e consequências serão discutidas mais tarde. A ideia principal a ser observada neste ponto é que foi determinado experimentalmente que a DNA polimerase NÃO pode iniciar a síntese de filamentos por conta própria. Em vez disso, a DNA polimerase requer um pequeno trecho da estrutura de fita dupla seguido por um molde de fita simples. A criação de um oligonucleotídeo curto é realizada pela enzima primase. Esta proteína cria um pequeno polímero de RNA (não DNA) chamado de primer (estes são representados por linhas verdes curtas nas figuras acima e abaixo) que podem ser usados ​​pela DNA polimerase para nuclear uma nova fita em crescimento.

Durante o processo de alongamento do fio, o DNA polimerase polimeriza uma nova fita covalentemente ligada de nucleotídeos de DNA (em bactérias esta enzima específica pode ser chamada de DNA polimerase III em eucariotos, a nomenclatura da polimerase é mais complexa e os papéis de várias proteínas polimerase não são completamente compreendidos). Acontece que um dos fios é usado exclusivamente em relação ao outro para servir de modelo. A DNA polimerase irá "ler" a fita molde de 3 'para 5' e sintetizar uma nova fita na direção 5 'para 3'. Hipóteses para explicar esta observação universal geralmente giram em torno da energética associada com a adição de um novo nucleotídeo e argumentos associados ao reparo do DNA que descreveremos em breve. Vamos, portanto, considerar brevemente a reação envolvendo a adição de um único nucleotídeo. O primer fornece uma importante hidroxila 3 'na qual se inicia a síntese. O próximo desoxirribonucleotídeo trifosfato entra no sítio de ligação da DNA polimerase e, como mostrado na Figura 5 abaixo, é orientado pela polimerase de modo que uma hidrólise do 5 'trifosfato possa ocorrer, liberando pirofosfato e acoplando esta reação exergônica à síntese de um ligação fosfodiéster entre o fosfato 5 'do nucleotídeo de entrada e o grupo hidroxila 3' do primer. Este processo pode ser repetido até que os trifosfatos desoxirribonucleotídicos acabem ou o complexo de replicação caia do DNA. Com efeito, a DNA polimerase adiciona o grupo fosfato (5 ') do nucleotídeo de entrada ao grupo hidroxila existente (3') do nucleotídeo adicionado anteriormente.

O emparelhamento correto de bases, ou seleção do nucleotídeo correto para adicionar em cada etapa, é realizado por restrições estruturais sentidas pela DNA polimerase e as ligações de hidrogênio energeticamente favoráveis ​​formadas entre os nucleotídeos complementares. O processo é energicamente conduzido pela hidrólise do 5 'trifosfato de entrada e as interações energeticamente favoráveis ​​formadas pelas interações inter-nucleotídeo na crescente dupla hélice (empilhamento de bases e ligações de hidrogênio em pares de bases complementares). Observe que a energética da adição de nucleotídeos não impede tecnicamente uma fita crescendo na direção de 3 'para 5', a principal diferença neste esquema é que a energia & fonte de energia para a síntese precisaria vir de um nucleotídeo já incorporado na fita em crescimento, em vez do que o novo nucleotídeo de entrada (que pode ser uma desvantagem seletiva importante é discutido brevemente). Depois que o alongamento começou, uma DNA polimerase diferente (em bactérias, geralmente é chamada de DNA polimerase I) chega para remover o primer de RNA e sintetizar o pedaço restante de DNA ausente.

Como será discutido em mais detalhes em aula, o movimento do garfo de replicação induz o enrolamento do DNA em ambas as direções de replicação. Outra enzima consumidora de ATP chamada topoisomerase ajuda a aliviar esse estresse.

Figura 5. A DNA polimerase catalisa a adição do grupo fosfato 5 'de um nucleotídeo de entrada ao grupo hidroxila 3' do nucleotídeo anterior. Este processo cria uma ligação fosfodiéster entre os nucleotídeos enquanto hidrolisa a ligação fosfoanidrido no nucleotídeo.
Fonte: http://bio1151.nicerweb.com/Locked/m. h16 / elong.html

Crie uma história de energia para a adição de um nucleotídeo em um polímero, conforme mostrado na figura acima. Este será um objetivo de aprendizagem explícito de alguns de seus instrutores BIS2A.

Cordão principal e posterior

A discussão acima sobre o alongamento da fita descreve o processo de síntese de uma nova fita se essa fita for sintetizada na mesma direção em que o garfo de replicação está ou parece estar se movendo ao longo do DNA. Esta fita pode ser sintetizada continuamente e é chamada de fio condutor. No entanto, ambas as fitas da dupla hélice do DNA original devem ser copiadas. Uma vez que a DNA polimerase só pode sintetizar DNA na direção 5 'para 3', a polimerização da fita oposta à fita principal deve ocorrer na direção oposta que a helicase, ou frente da bifurcação de replicação, está viajando. Esta fita é chamada de fio retardado, e devido a restrições geométricas, deve ser sintetizado através de uma série de eventos de priming e síntese de DNA em segmentos curtos chamados Fragmentos de Okazaki. Como observado, o início da síntese de cada fragmento de Okazaki requer um primase para sintetizar um primer de RNA, e cada um desses primers de RNA deve ser finalmente removido e substituído por nucleotídeos de DNA por uma DNA polimerase diferente. As ligações covalentes entre cada fragmento de Okazaki não podem ser feitas pela DNA polimerase e devem, portanto, ser formadas por outra enzima chamada DNAligase. A geometria da síntese do fio retardado é difícil de visualizar e será abordada em aula.

Figura 6. O fio retardado é criado em vários segmentos. Uma bifurcação de replicação mostra a vertente principal e posterior. Uma bolha de replicação mostra as cadeias principais e posteriores.
Imagem original da equipe BIS2A


Acaba de ser anunciada uma parceria entre duas empresas da Califórnia, Codexis CDXS e Molecular Assemblies, com foco em uma nova maneira radical de escrever DNA. A parceria chega em um momento de expansão para a indústria de biologia sintética, que busca usar o DNA para criar tudo, desde anticorpos COVID-19 até novas opções para armazenamento de dados de alta densidade.

A síntese de DNA já é um mercado aquecido. A Twist Bioscience, fabricante de genes, viu seu estoque quase triplicar desde seu IPO no final de 2018. No mesmo ano, a Integrated DNA Technologies foi adquirida pela Danaher por rumores de US $ 1,8 bilhão. Todo esse sucesso recente, no entanto, é baseado em um método de décadas de impressão de DNA que os especialistas admitem ser bastante limitado.

Os fabricantes de DNA de hoje ainda criam seus produtos usando química. Para formar uma nova hélice dupla, as letras individuais do DNA - apelidadas de A, T, C e G - são ligadas entre si usando um processo chamado síntese de fosforamidita. Embora o processo tenha sido refinado ao longo dos anos, ainda requer solventes agressivos que limitam a qualidade do produto final. Esses solventes também se tornam resíduos nocivos.

Uma rápida olhada na biologia prova que existe claramente uma maneira melhor. Suas próprias células produzem DNA o tempo todo, e o fazem sem produtos químicos agressivos. As cópias de DNA que eles produzem são milhões de vezes mais longas e consideravelmente mais precisas do que qualquer empresa pode obter atualmente por meio de síntese química. Esse poder de criar grandes quantidades de DNA de alta qualidade possibilita a complexidade da vida e, se aproveitado, transformaria a manufatura global, abrindo as comportas para inovações da biologia sintética nos setores farmacêutico, têxtil, agrícola e de materiais avançados.

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Durante anos, os biotecnologistas desejaram fazer DNA da mesma forma que a biologia - com enzimas. Essas máquinas em nanoescala, que são produtos de genes, se especializam em encurralar produtos químicos menores ao seu redor. Um tipo de enzima em particular, chamada polimerase, tem uma capacidade incomparável de costurar letras de DNA em longas cadeias.

Empresas como a Molecular Assemblies, sediada em San Diego, vêm adaptando enzimas polimerase para criar moléculas de DNA personalizadas. Eles detêm 24 patentes sobre o assunto e afirmam já ter potencial para produzir cadeias de DNA até 50 vezes mais longas que a concorrência. Eles até começaram a aplicar sua tecnologia ao desafio de armazenamento de dados de DNA.

Codexis, com sede na Bay Area, é especializada no aprimoramento de enzimas para uso industrial. Como já escrevi, eles aplicam um software de computador avançado para criar enzimas aprimoradas que podem ajudar na criação de uma variedade surpreendente de produtos, incluindo canabinóides, bioplásticos, biocombustíveis e até drogas farmacêuticas.

Sob o novo acordo, a Codexis vai comprar US $ 1 milhão em ações da Molecular Assemblies. Esta é uma vitória clara para ambas as empresas: O negócio principal da Molecular Assemblies é baseado em enzimas e, na Codexis, eles ganham um parceiro especializado em engenharia de enzimas. A Codexis também se beneficia, pois ganha uma participação no lucrativo e crescente campo da síntese enzimática de DNA.

Em última análise, movimentos como esses também beneficiam toda a indústria de biologia sintética. O DNA feito por enzimas seria uma bênção para qualquer empresa - grande ou pequena - que deseja participar do esforço do século 21 para construir uma economia melhor, mais verde e mais eficiente com biologia.

Para obter informações privilegiadas sobre a síntese enzimática de DNA e o que isso significa para toda a biotecnologia. [+] indústria, conversei com o CEO da Molecular Assemblies, Michael Kamdar, e o CEO da Codexis, John Nicols, sobre como tornar a tecnologia um sucesso comercial.

Para obter informações privilegiadas, assista à minha entrevista com o CEO da Molecular Assemblies, Michael Kamdar, e o CEO da Codexis, John Nicols, sobre o impacto da síntese enzimática de DNA e o que esse negócio significa para a indústria.

Siga-me no Twitter em @johncumbers e @sinbiobeta. Assine meus boletins semanais de biologia sintética. Obrigada por Ian Haydon para pesquisas e relatórios adicionais neste artigo. Eu sou o fundador da SynBioBeta, e algumas das empresas sobre as quais escrevo - incluindo Molecular Assemblies e Codexis - são patrocinadoras da Conferência SynBioBeta e resumo semanal. Aqui está a lista completa dos patrocinadores da SynBioBeta. Também sou sócio operacional da DCVC, que tem investido em Assembléias Moleculares.


A distância entre dois pares de bases consecutivos é de 0,34 nm (0,34 × 10 -9 m) da dupla hélice do DNA em uma célula típica de mamífero. Quando o número total de pares de bases é multiplicado pela distância entre dois pares de bases consecutivos (6,6 × 109 × 0,34 × 10 -9 m / bp), o comprimento da dupla hélice do DNA é de aproximadamente 2,2 m. (O comprimento total do DNA de dupla hélice = número total de pares de bases × distância entre dois pares de bases consecutivos).

Se o comprimento do DNA de E. coli é 1,36 mm, o número de pares de bases em E. coli é 4 × 10 6 bp (1,36 × 10 3 m / 0,34 × 10 -9). O comprimento da dupla hélice do DNA é muito maior do que a dimensão de um núcleo típico de mamífero (aproximadamente 10 -6 m). Como um polímero de DNA tão longo é empacotado em uma célula?

Os cromossomos são portadores de genes responsáveis ​​por vários caracteres de geração em geração. Du Praw (1965) propôs um modelo de fita simples (unineme), como uma molécula em espiral longa que está associada a proteínas histonas em eucariotos. Plantas e animais têm mais DNA do que bactérias e devem dobrar esse DNA para caber no núcleo da célula.

Em procariotos como E. coli, embora não tenham núcleo definido, o DNA não está espalhado por toda a célula. O DNA (sendo carregado negativamente) é mantido com algumas proteínas (que têm cargas positivas) em uma região chamada nucleóide. O DNA como um nucleóide é organizado em grandes voltas mantidas por proteínas. O DNA de procariotos é quase circular e não tem organização da cromatina, portanto denominado genóforo.

Em eucariotos, essa organização é muito mais complexa. A cromatina é formada por uma série de unidades repetidas chamadas nucleossomos. Kornberg propôs um modelo para o nucleossomo, no qual 2 moléculas das quatro proteínas histonas H2A, H2B, H3 e H4 são organizadas para formar uma unidade de oito moléculas denominadas octâmero de histona. O DNA com carga negativa é enrolado em torno do octâmero da histona com carga positiva para formar uma estrutura chamada nucleossomo.

Um nucleossomo típico contém 200 pb de hélice de DNA. Os octâmeros das histonas estão em contato próximo e o DNA é enrolado na parte externa do nucleossomo. Nucleossomos vizinhos são conectados por DNA ligante (H1) que é exposto a enzimas. O DNA dá duas voltas completas em torno dos octâmeros de histona e as duas voltas são seladas por uma molécula H1. A cromatina sem H1 tem uma aparência de contas em um fio em que o DNA
entra e sai dos nucleossomos em locais aleatórios. H1 de um nucleossomo pode interagir com H1 dos nucleossomos vizinhos, resultando no dobramento adicional do fogo.

O fier de cromatina nos núcleos interfásicos e cromossomos mitóticos tem um diâmetro que varia entre 200-300 nm e representa a cromatina inativa. O fogo de 30 nm surge do dobramento do nucleossomo, cadeias em uma estrutura de solenóide com seis nucleossomos por turno. Esta estrutura é estabilizada pela interação entre diferentes moléculas H1. O DNA é um solenóide e contém cerca de 40 vezes.

A natureza hierárquica da estrutura cromossômica é ilustrada na (Fig. 5.3). Um conjunto adicional de proteínas é necessário para o empacotamento da cromatina em um nível mais alto e são referidas como proteínas cromossômicas não histonas (NHC). Em um núcleo típico, algumas regiões da cromatina são fracamente empacotadas (levemente coradas) e são chamadas de eucromatina. A cromatina que está fortemente compactada (manchada em tons escuros) é chamada de heterocromatina. A eucromatina é transcricionalmente ativa e a heterocromatina é transcricionalmente inativa.


Configurando o experimento

Matt e Frank

Para distinguir entre os modelos semiconservadores, conservadores e dispersivos de replicação de DNA descritos acima, precisávamos de um método que pudesse dizer a diferença entre as fitas de DNA parental e filha. As Figuras 2, 4 e 5 ilustram as fitas-mãe e as recém-sintetizadas com cores diferentes. No entanto, precisávamos encontrar uma diferença física real que tivesse a mesma função de distinguir entre o DNA antigo e o recém-sintetizado. Matt teve a ideia de distinguir o DNA antigo do novo fazendo com que a bactéria os sintetizasse com diferentes isótopos e os separasse em uma centrífuga de acordo com sua densidade. Se o DNA original e o recém-sintetizado pudessem ser feitos de materiais de densidade diferente, talvez pudéssemos medir essa diferença física. Discutiremos os produtos químicos que foram usados ​​para tornar o DNA mais pesado ou mais leve na próxima seção.

Nossa ideia experimental era fazer crescer um organismo em um meio químico que tornaria seu DNA pesado. Então, enquanto estava crescendo, nós mudávamos para um novo meio no qual o DNA recém-sintetizado seria feito de um material mais leve (Figura 6). A diferença de densidade entre o DNA original e o recém-replicado poderia nos permitir distinguir entre os modelos de replicação do DNA.

Figura 6 Conceito geral para um experimento para distinguir o DNA original versus recém-replicado usando densidade como um marcador. No primeiro frasco, as bactérias são cultivadas por muitas gerações em meio pesado, de modo que todo o seu DNA fica "pesado".

Para separar DNA de diferentes densidades, inventamos um método chamado "centrifugação de gradiente de densidade de equilíbrio" e o publicamos, juntamente com Jerome Vinograd, pesquisador sênior da Caltech que nos ensinou como usar a ultracentrífuga em seu laboratório e forneceu conselhos. Nesse método, aplicado ao DNA, um tubo especial que tem janelas de quartzo para que fotos de luz ultravioleta possam ser tiradas enquanto a centrífuga está funcionando é preenchido com uma solução de cloreto de césio e o DNA a ser examinado. Após a centrifugação em alta velocidade (

45.000 rotações por minuto ou 140.000 vezes a gravidade), o CsCl forma gradualmente um gradiente de densidade, tornando-se mais concentrado na parte inferior do tubo (Figura 7). A solução de CsCl na parte superior do tubo é menos densa do que o DNA, enquanto a solução de CsCl na parte inferior é mais densa do que o DNA. Assim, quando uma mistura de DNA em uma solução de CsCl é centrifugada, o DNA eventualmente chegará a um ponto de repouso onde sua densidade corresponde à da solução de CsCl (Figura 7). O DNA absorve a luz ultravioleta e sua posição ao longo do tubo foi registrada usando uma câmera especial enquanto a centrífuga está funcionando.

Figura 7 Centrifugação de gradiente de densidade de equilíbrio. Um tubo de solução de DNA e cloreto de césio (CsCl) é centrifugado, o que resulta na formação de um gradiente de densidade de CsCl ao longo do tubo durante a centrifugação e o agrupamento de moléculas de DNA de diferentes densidades.

O método agora parece simples, mas, na realidade, levou alguns anos para ser desenvolvido. Por exemplo, não chegamos ao cloreto de césio imediatamente. Nós olhamos uma tabela periódica para um átomo monovalente denso que não reagiria com cloreto de rubídio de DNA (peso molecular de 121) que estava disponível no almoxarifado do Departamento de Química e inicialmente tentamos usar isso, mas descobrimos que mesmo as soluções concentradas não eram densas o suficiente para flutue o DNA até um ponto de banda. Em seguida, movemos um nível abaixo na tabela periódica para o césio (o peso molecular do cloreto de césio é 168) e funcionou (para obter mais detalhes, consulte Dig Deeper 3).


A estrutura do DNA

Georgina Ferry é uma escritora científica que mora em Oxford, Reino Unido. Uma edição revisada de sua biografia Dorothy Crowfoot Hodgkin acaba de ser publicado pela Bloomsbury Reader.

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Em 25 de abril de 1953, James Watson e Francis Crick anunciaram 1 em Natureza que eles “desejam sugerir” uma estrutura para o DNA. Em um artigo de pouco mais de uma página, com um diagrama (Fig. 1), eles transformaram o futuro da biologia e deram ao mundo um ícone - a dupla hélice. Reconhecendo de imediato que sua estrutura sugeria um “possível mecanismo de cópia do material genético”, deram início a um processo que, na década seguinte, levaria à quebra do código genético e, 50 anos depois, à sequência completa do genoma humano.

Figura 1 | A dupla hélice do DNA. Este desenho apareceu no relatório 1 de Watson e Crick sobre a estrutura do DNA e foi produzido pela esposa de Crick, Odile.

Até então, os biólogos ainda precisavam ser convencidos de que o material genético era de fato proteínas de DNA parecia uma aposta melhor. No entanto, a evidência de DNA já estava disponível. Em 1944, o pesquisador médico canadense-americano Oswald Avery e seus colegas mostraram 2 que a transferência de DNA de uma cepa virulenta para uma não virulenta de bactéria conferia virulência à última. E em 1952, os biólogos Alfred Hershey e Martha Chase publicaram evidências 3 de que os vírus fágicos infectam bactérias ao injetar DNA viral.

O artigo: Estrutura Molecular de Ácidos Nucleicos: Uma Estrutura para Ácido Nucleico de Desoxirribose

Watson, um geneticista americano de 23 anos, chegou ao Laboratório Cavendish da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, no outono de 1951. Ele estava convencido de que a natureza do gene era o principal problema da biologia e que a chave para o gene era DNA. O Cavendish era um laboratório de física, mas também abrigava a Unidade de Pesquisa sobre a Estrutura Molecular de Sistemas Biológicos do Conselho de Pesquisa Médica, chefiada pelo químico Max Perutz. O grupo de Perutz estava usando cristalografia de raios-X para desvendar as estruturas das proteínas hemoglobina e mioglobina. Sua equipe incluía um estudante de pós-graduação de 35 anos que desistiu da física e se requalificou em biologia e que estava muito mais feliz trabalhando nas implicações teóricas dos resultados de outras pessoas do que fazendo seus próprios experimentos: Francis Crick. Em Crick, Watson encontrou um aliado imediato em sua obsessão por DNA.

No entanto, DNA foi o projeto de Maurice Wilkins no King’s College London. Crick era amigo de Wilkins, e os laboratórios não competiam pela mesma molécula. Além disso, a experiente cristalógrafa de raios-X Rosalind Franklin havia acabado de assumir o trabalho experimental com DNA na King's. Devido a um mal-entendido sobre seus papéis relativos, o relacionamento de Franklin com Wilkins era gélido.

Nada disso impediu Watson e Crick de especular sobre como os componentes da molécula de DNA - as quatro bases de nucleotídeos adenina, guanina, timina e citosina, conectadas a uma estrutura de açúcares e fosfatos - poderiam se transformar em fibras. Eles pensaram que uma hélice era uma opção provável: o químico norte-americano Linus Pauling e seus colegas de trabalho tinham acabado de demonstrar 4 que as cadeias de peptídeos formavam hélices α. O próprio Crick foi coautor de um artigo sobre a teoria da difração de raios X por hélices 5. No final de 1951, ele e Watson combinaram essa teoria com o que sabiam sobre a química do DNA, e o que se lembravam das palestras de Wilkins e Franklin, para construir um modelo da estrutura do DNA.

150 anos da Natureza - uma coleção de aniversário

Eles entenderam muito mal: Wilkins e Franklin rapidamente o demoliram. O chefe do Cavendish, Lawrence Bragg, ficou furioso e proibiu Watson e Crick de fazer qualquer trabalho posterior com DNA. Mas então, em fevereiro de 1952, a equipe de Cavendish recebeu um manuscrito de Pauling que continha um modelo de DNA. Estava errado, mas Watson e Crick ficaram alarmados porque Pauling estava potencialmente perto de uma solução.

Desta vez, Bragg concordou que eles poderiam tentar chegar lá primeiro. Franklin logo se mudaria para o Birkbeck College, em Londres, e deixaria o trabalho de DNA para Wilkins. Ela e seu aluno de graduação, Raymond Gosling, deram a Wilkins uma fotografia do padrão de difração de raios-X produzido pela forma B do DNA. Watson foi ver Wilkins, que lhe mostrou a fotografia, sem o conhecimento de Franklin e Gosling.

A agora famosa ‘Fotografia 51’, junto com outros dados não publicados de Franklin que Perutz havia mostrado a Watson e Crick, disse ao par que o DNA realmente formou uma hélice e que a estrutura consistia em duas cadeias correndo em direções opostas. Watson estava perplexo, no entanto, sobre como as bases poderiam formar pares entre os dois. Ele fez recortes de papelão das bases, tentando encaixá-las, mas nada parecia funcionar.

Nature PastCast: os outros artigos de DNA

Seu colega Jerry Donohue então apontou que ele estava usando as estruturas moleculares dos isômeros enólicos das bases, que não podem formar as ligações de hidrogênio necessárias para o par de bases. Depois que Watson fez recortes dos cetoisômeros alternativos, ele teve a revelação cegante de que, quando a guanina ligada à citosina, tinha uma forma idêntica à da adenina ligada à timina e que as formas se encaixavam perfeitamente na estrutura helicoidal fornecida pelos backbones de cada cadeia de DNA. Isso explicou a descoberta do bioquímico Erwin Chargaff de que o DNA de qualquer espécie tem a mesma quantidade de guanina que de citosina e de adenina que de timina 6. Ele também mostrou que cada cadeia de DNA em uma hélice fornece um modelo perfeito para a outra, lendo a sequência de bases em direções opostas.

Em poucos dias, Watson e Crick construíram um novo modelo de DNA a partir de peças de metal. Wilkins imediatamente aceitou que estava correto. Foi acordado entre os dois grupos que publicariam três artigos simultaneamente em Natureza, com os pesquisadores do King comentando sobre o ajuste da estrutura de Watson e Crick aos dados experimentais, e Franklin e Gosling publicando a Fotografia 51 pela primeira vez 7, 8.

A dupla de Cambridge reconheceu em seu artigo que eles sabiam da "natureza geral dos resultados experimentais não publicados e idéias" dos trabalhadores do Rei, mas não foi até A dupla hélice, Relato explosivo de Watson da descoberta, foi publicado em 1968 que ficou claro como eles obtiveram acesso a esses resultados. Franklin morrera de câncer uma década antes de sua morte a impedir de compartilhar o prêmio Nobel concedido a Watson, Crick e Wilkins em 1962.

Dorothy Hodgkin: a formação de uma cientista excepcional

A recepção imediata do modelo de dupla hélice foi surpreendentemente silenciosa 9, talvez porque não houvesse nenhum mecanismo óbvio para explicar seu papel na síntese de proteínas. Em uma palestra marcante em 1957, Crick propôs que a sequência de base codifica a sequência de aminoácidos em uma proteína, e que a produção de proteína envolve RNA tanto como um modelo quanto como um "adaptador" que permitiria que os aminoácidos se ligassem uns aos outros na ordem certa. Ele também apoiou a sugestão - originalmente feita informalmente pelo físico George Gamow aos membros do 'RNA Tie Club' convocado por Gamow e Watson, mas também proposta de forma independente pelo biólogo Sydney Brenner 10 - que tripletos de bases (que Brenner chamou de códons) codificam os 20 aminoácidos comumente encontrados nas proteínas. Finalmente, Crick expôs o que chamou de "dogma central" da biologia: que a informação pode fluir dos ácidos nucleicos para as proteínas, mas não o contrário 11.

Essas previsões foram confirmadas por experimentos nos anos seguintes. Em 1958, os bioquímicos Matthew Meselson e Franklin Stahl mostraram que uma fita de DNA atua como molde para a formação de uma nova fita 12. No mesmo ano, Arthur Kornberg e seus colegas publicaram sua descoberta da enzima DNA polimerase 13, que adiciona bases às fitas recém-formadas. O RNA mensageiro, o RNA de transferência e o RNA ribossômico foram identificados rapidamente.

Em 1961, Marshall Nirenberg e Heinrich Matthaei foram os primeiros a quebrar parte do código genético, demonstrando que os extratos bacterianos sintetizam apenas o aminoácido fenilalanina do RNA que contém apenas um tipo de RNA base 14 (uracila U). No mesmo ano, Crick, sua indispensável técnica feminina Leslie Barnett e seus colegas de trabalho relataram estudos de mutação que confirmaram a existência do código baseado em trigêmeos 15 e que, portanto, sugeriram que o códon para a fenilalanina era UUU. A corrida para identificar o conjunto completo de códons foi concluída em 1966, com Har Gobind Khorana contribuindo com as sequências de bases em vários códons de seus experimentos com polinucleotídeos sintéticos (consulte go.nature.com/2hebk3k).

Com a publicação 16 de Fred Sanger e colegas de um método eficiente para sequenciamento de DNA em 1977, o caminho estava aberto para a leitura completa da informação genética em qualquer espécie. A tarefa foi concluída para o genoma humano em 2003, outro marco na história do DNA.

Watson dedicou a maior parte do resto de sua carreira à educação e administração científica como chefe do Cold Spring Harbor Laboratory em Long Island, Nova York, e servindo (brevemente) como o primeiro chefe do Centro Nacional de Pesquisa do Genoma Humano dos Estados Unidos, agora o Instituto Nacional de Pesquisa do Genoma Humano. Sempre franco, ele acabou sendo removido de sua posição emérito em Cold Spring Harbor quando ele repetidamente levantou opiniões polêmicas sobre genética, raça e inteligência.

Crick continuou a lidar com problemas difíceis na ciência, mudando-se em 1977 de Cambridge para o Salk Institute em La Jolla, Califórnia, onde passou o resto de sua vida trabalhando na base neural da consciência 17 e, especificamente, da percepção visual. Ele morreu em 2004, aos 88 anos.

A dupla hélice colocou a genética em uma base física que lançaria luz sobre quase todos os aspectos da biologia e da medicina modernas. Os exemplos incluem a migração de populações humanas ao longo da história, ecologia e mutações causadoras de câncer de biodiversidade em tumores e sua vigilância de tratamento de drogas de resistência microbiana em hospitais e na população global e o diagnóstico e tratamento de doenças congênitas raras. A análise de DNA foi estabelecida há muito tempo na área forense, e a pesquisa em aplicações mais futurísticas, como a computação baseada em DNA, está bem avançada.

Paradoxalmente, a estrutura icônica de Watson e Crick também tornou possível reconhecer as deficiências do dogma central, com a descoberta de pequenos RNAs que podem regular a expressão gênica e de fatores ambientais que induzem a mudança epigenética hereditária. Sem dúvida, o conceito de dupla hélice continuará a sustentar as descobertas na biologia nas próximas décadas.

Natureza 575, 35-36 (2019)


Dupla hélice de DNA: descoberta que levou a 60 anos de revolução biológica

O mito é que a ciência avança aos trancos e barrancos, com momentos eureca entregando revelação e revolução. A realidade geralmente é muito mais mundana: um caso de cientistas que trabalham com pequenos avanços incrementais. Mas a publicação de 60 anos atrás da célebre estrutura do DNA de Francis Crick e James Watson - a escada torcida da dupla hélice - pode ser legitimamente considerada um ponto de inflexão: nossa compreensão da vida mudou para sempre naquele dia, e a era moderna da biologia começou.

"Não escapou de nossa atenção", escreveram eles em um breve artigo na revista Nature, que a dupla hélice "sugere imediatamente um mecanismo de cópia para o material genético." E assim é. Esta espiral elegante, desenhada pela primeira vez pela esposa de Crick, Odile, retrata a molécula mais famosa da vida. Hoje faz parte da nossa cultura: no cinema, como arte, nas propagandas de shampoo. Agora sabemos que o DNA é uma bobina dinâmica e tortuosa, em constante movimento e desenrolamento, fervilhando de atividade enquanto executa seus muitos programas.

Desde 1953, a biologia evoluiu para uma indústria global, com nosso domínio cada vez maior sobre o DNA em seu núcleo. We have seen the emergence of genetic modification and now synthetic biology – for both scientific and commercial gain – each with its own mire of ongoing legal wrangles. And now we are entering the post-DNA era. In the past couple of years, the nature of DNA itself has been modified, its alphabet mutated and its function reinvented for non-biological uses.

DNA's operation is determined by its shape. Each rung of the ladder is made up of a pair of two of the four letters of the DNA alphabet – A, T, C and G. But A will only pair with T, and C only with G. So if you were to split the ladder in two, breaking the paired rungs, then on each of these struts you would have all the information needed to replace the missing one. Hence, from one DNA molecule, you can make two identical molecules. This is happening right now inside you as the cells that make up your body divide, at a rate of around 3,000 letters a minute (bacteria can do it 10 times faster). And the same process has been happening continuously in every cell that has ever existed on Earth. DNA in living cells, as far as we know, is universal, and combined with Darwin's theory of evolution we have a robust model of how life is, and how it came to be, its origins almost 4bn years ago.

DNA is a code, a means of storing biological data, in the form of genes. The code was systematically cracked in the 1960s, revealing that life is breathtakingly conservative. If DNA is an alphabet, then the words it spells out are amino acids, the building blocks of proteins. And yet only 20 amino acids are encoded by DNA in all life forms. The same alphabet, the same encryption, the same lexicon are applied in every bacterium or blue whale, in you, a sunflower and a mushroom.

It is this uniformity that spawned the industrial revolution of biotechnology that we are in the throes of today. In California in the early 1970s, scientists invented ways to swap chunks of DNA between species, so that they acquired specific characteristics by design. Humans have been doing something similar for 10,000 years through breeding and farming, but with the advent of DNA editing tools, we were suddenly no longer bound by the limitations of creatures that could have sex. Genetic modification has become a mainstay of almost every aspect of the life sciences, and provided innumerable advances in our understanding of how life and diseases work.

DNA structure Photograph: Graphic

This century, the descendant of genetic modification has emerged as synthetic biology. This takes the principles of gene tinkering, and, just as the pioneers of electronics did, standardises the components so that creating new technologies becomes easier. In the summer, we will see the largest synthetic biology meeting in the world at Imperial College London, where the creators of this rapidly maturing field will gather to turn the remixed tools of evolution into ever-more sophisticated circuitry to address global issues including food, fuel and food production. On paper, this circuitry looks like electronics, with transistor-like junctions and gates. But it is in fact DNA, carefully designed and assembled to perform specific logical functions.

We're 10 years on from the completion of the Human Genome Project, initially led by Watson, the complete read-through of all 3bn letters of our own code. That yielded many surprises, including that we're a long way from understanding how our genomes work. But we also entered the legal swamp of DNA patenting, the idea – currently law – that your genes can be owned by someone else. Two breast cancer genes are the subjects of the key legal test case, which is being addressed by the US supreme court this week, with globally significant ramifications.

The pioneers of genetics changed how science itself is done. The Human Genome Project launched a new style of big science — huge international collaborations with openness as a key principle. Thousands of people in hundreds of labs have worked on generating the various versions of human and other species's genomes over the past few years last week, the ancient fish the coelacanth became the latest to join the genome club. All the data is in the public domain, to maximise the benefit for as many people as possible.

Our control of the stuff of life is such that we can now eschew DNA's evolved functions altogether. In its simplest form, DNA is an information storage format. It is incredibly stable: we have extracted meaningful DNA from all sorts of long-dead organisms, including mammoths and Neanderthals.

People started thinking about DNA as a data storage device in the 1990s, but it wasn't until 2010 that scientist Craig Venter hid several secret coded messages in the DNA of his synthetic cell, nicknamed Synthia. This field really kicked off in January when a team led by Cambridge geneticist Ewan Birney encoded in DNA all Shakespeare's sonnets, a video of Martin Luther King's "I have a dream" speech, and Crick and Watson's 1953 paper. They sent it to a lab in Germany, where it was decrypted with an error rate of zero.

Currently, this technique is only useful for archiving, because it is slow to write and decode, but the density of information is higher than for Blu-Ray discs or hard drives. We will never not study DNA, so the technology for reading and writing it will only improve. Remember Betamax or laser discs? DNA is a format that has robustly stored data for 4bn years.

While the principles of how living DNA encodes information and duplicates are set in stone, this is no longer true for the molecule itself. In the past few years we have seen startling progress towards reinventing the language of life. That original four-letter alphabet is now up to at least six, with the addition of Z and P by scientists including Steve Benner at the Foundation for Applied Molecular Evolution in Florida. These new letters don't mean anything yet: it is as if we had added letters to English that could not yet be pronounced. But Benner has incorporated them into a molecule whose alphabet has remained frozen for several billion years. Last year a team in Cambridge led by Vitor Pinheiro re-engineered the struts of the double helix ladder, changing the D in DNA to a host of other molecules, under the catch-all title of "XNA". They reproduce, evolve, and have the potential to act as therapeutic drugs, because the body won't recognise them as rogue DNA.

Sixty years on from the first revelation of DNA's shapely curves, no aspect of biology is above modification, remix or redesign. This inevitably comes with accusations of "playing God". Yet this is what we have always done. We have taken the natural world, modified it, shaped it and redesigned it to suit our own needs and wants, often without considering the repercussions. All of these new endeavours are fraught with contention. Gene patenting is one perhaps soon to be resolved. Ownership of GM seeds by corporate monoliths continues to provoke ire from many.

There is a visceral belief in some quarters that we shouldn't be fiddling with nature in such fundamental ways. Nevertheless, DNA technology will continue to grow. But it is our responsibility to allow DNA technology to flourish, while society makes informed decisions about how its fruits are shared. We are in a golden age, an industrial revolution with a single root exactly six decades ago.


What makes DNA helical? - Biologia

Figure 1. The three suggested models of DNA replication. Cinza indica as fitas originais do DNA e azul indica DNA recém-sintetizado.

A elucidação da estrutura da dupla hélice forneceu uma dica de como o DNA se divide e faz cópias de si mesmo. Este modelo sugere que as duas fitas da dupla hélice se separam durante a replicação, e cada fita serve como um modelo a partir do qual a nova fita complementar é copiada. O que não ficou claro foi como a replicação ocorreu. There were three models suggested: conservative, semi-conservative, and dispersive (see Figure 1).

In conservative replication, the parental DNA remains together, and the newly formed daughter strands are together. The semi-conservative method suggests that each of the two parental DNA strands act as a template for new DNA to be synthesized after replication, each double-stranded DNA includes one parental or “old” strand and one “new” strand. In the dispersive model, both copies of DNA have double-stranded segments of parental DNA and newly synthesized DNA interspersed.

Meselson and Stahl were interested in understanding how DNA replicates. They grew E. coli for several generations in a medium containing a “heavy” isotope of nitrogen ( 15 N) that gets incorporated into nitrogenous bases, and eventually into the DNA (Figure 2).

Figure 2. Meselson and Stahl experimented with E. coli grown first in heavy nitrogen ( 15 N) then in 14 N. DNA grown in 15 N (red band) is heavier than DNA grown in 14 N (orange band), and sediments to a lower level in cesium chloride solution in an ultracentrifuge. When DNA grown in 15 N is switched to media containing 14 N, after one round of cell division the DNA sediments halfway between the 15 N and 14 N levels, indicating that it now contains fifty percent 14 N. In subsequent cell divisions, an increasing amount of DNA contains 14 N only. This data supports the semi-conservative replication model. (crédito: modificação da obra de Mariana Ruiz Villareal)

o E. coli culture was then shifted into medium containing 14 N and allowed to grow for one generation. The cells were harvested and the DNA was isolated. The DNA was centrifuged at high speeds in an ultracentrifuge. Some cells were allowed to grow for one more life cycle in 14 N and spun again. During the density gradient centrifugation, the DNA is loaded into a gradient (typically a salt such as cesium chloride or sucrose) and spun at high speeds of 50,000 to 60,000 rpm. Under these circumstances, the DNA will form a band according to its density in the gradient. DNA grown in 15 N will band at a higher density position than that grown in 14 N. Meselson and Stahl noted that after one generation of growth in 14 N after they had been shifted from 15 N, the single band observed was intermediate in position in between DNA of cells grown exclusively in 15 N and 14 N. This suggested either a semi-conservative or dispersive mode of replication. The DNA harvested from cells grown for two generations in 14 N formed two bands: one DNA band was at the intermediate position between 15 N and 14 N, and the other corresponded to the band of 14 N DNA. These results could only be explained if DNA replicates in a semi-conservative manner. Therefore, the other two modes were ruled out.

Durante a replicação do DNA, cada uma das duas fitas que compõem a dupla hélice serve como um modelo a partir do qual novas fitas são copiadas. A nova vertente será complementar à vertente parental ou “antiga”. When two daughter DNA copies are formed, they have the same sequence and are divided equally into the two daughter cells.

In Summary: Basics of DNA Replication

The model for DNA replication suggests that the two strands of the double helix separate during replication, and each strand serves as a template from which the new complementary strand is copied. In conservative replication, the parental DNA is conserved, and the daughter DNA is newly synthesized. The semi-conservative method suggests that each of the two parental DNA strands acts as template for new DNA to be synthesized after replication, each double-stranded DNA includes one parental or “old” strand and one “new” strand. The dispersive mode suggested that the two copies of the DNA would have segments of parental DNA and newly synthesized DNA. Experimental evidence showed DNA replication is semi-conservative.