Pela primeira vez, cientistas testemunharam o exato momento em que o DNA começa a se desenrolar, revelando um evento molecular necessário para que o DNA seja a molécula que codifica toda a vida. Um novo estudo da King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), publicado na Nature , captura o momento em que o DNA começa a se desenrolar, permitindo todos os eventos que se seguem na replicação do DNA.

Essa observação direta esclarece os mecanismos fundamentais que permitem que as células dupliquem fielmente seu material genético, uma pedra angular para o crescimento e a reprodução.

Usando microscopia crioeletrônica e aprendizado profundo para observar a helicase do antígeno tumoral grande do vírus símio 40 interagindo com o DNA, os laboratórios do professor assistente da KAUST, Alfredo De Biasio, e do professor Samir Hamdan, fornecem a descrição mais detalhada até agora dos primeiros passos da replicação do DNA: 15 estados atômicos que descrevem como a enzima helicase força o desenrolamento do DNA.

A conquista não é apenas um marco na pesquisa da helicase, mas também um marco na observação da dinâmica de qualquer enzima em resolução atômica.

Embora os cientistas saibam há muito tempo a importância da helicase na replicação do DNA, "eles não sabiam como o DNA, as helicases e o ATP trabalham juntos em um ciclo coordenado para impulsionar o desenrolamento do DNA", disse De Biasio.

Quando Watson e Crick relataram a dupla hélice em 1953, eles deram à comunidade científica uma compreensão inovadora de como a informação genética é armazenada e copiada. Para que o DNA se replique, a hélice deve primeiro desenrolar e quebrar o DNA de uma fita dupla em duas fitas simples.

Após a ligação, as helicases derretem o DNA, quebrando as ligações químicas que mantêm a dupla hélice unida. Elas então separam as duas fitas, permitindo que outras enzimas concluam a replicação. Sem esse primeiro passo, nenhum DNA pode ser replicado. Dessa forma, as helicases são máquinas ou, devido ao seu tamanho, nanomáquinas.

Se helicases são nanomáquinas, então "ATP", ou trifosfato de adenosina, é o combustível. Assim como a queima de gás aciona os pistões de um motor de carro, a queima de ATP, o mesmo combustível usado para flexionar seus músculos, faz com que os seis pistões de uma helicase desenrolem o DNA.

O estudo descobriu que, à medida que o ATP é consumido, ele reduz as restrições físicas que permitem que a helicase prossiga ao longo do DNA, desenrolando mais e mais da fita dupla. Assim, o consumo de ATP atua como um interruptor que aumenta a quantidade de entropia — ou desordem — no sistema, liberando a helicase para se mover ao longo do DNA.

Entre as muitas descobertas feitas pelos cientistas da KAUST estava que duas helicases derretem o DNA em dois locais ao mesmo tempo para iniciar o desenrolamento. A química do DNA é tal que as nanomáquinas se movem ao longo de uma única fita de DNA em apenas uma direção. Ao se ligarem em dois locais simultaneamente, as helicases se coordenam para que o enrolamento possa acontecer em ambas as direções com uma eficiência energética exclusiva das nanomáquinas naturais.

Essa eficiência, explica De Biasio, faz do estudo da replicação do DNA mais do que uma tentativa de responder às questões científicas mais fundamentais sobre a vida; também faz das helicases modelos para o design de novas nanotecnologias.

"De uma perspectiva de design, as helicases exemplificam sistemas mecânicos energeticamente eficientes. Nanomáquinas projetadas usando interruptores de entropia poderiam aproveitar mecanismos energeticamente eficientes semelhantes para executar tarefas complexas e movidas a força", disse ele.