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Biofísicos Descobrem 4 novas regras da “gramática” do DNA

Por 60 anos, biologistas conheceram apenas duas regras “gramaticais” que governam a linguagem do DNA. Agora eles encontraram mais quatro.

The Physics arXiv Blog 09/12/2011

O bioquímico austríaco, Erwin Chargaff, é famoso por duas regras que descobriu e que agora levam seu nome. Na época da descoberta, em 1950, o maior problema da biologia era entender a estrutura do DNA e as regras de Chargraff foram uma pista muito importante neste enigma.

Há muito tempo biólogos sabiam que o DNA era constituído a partir de quatro moléculas: adenina, guanina, tiamina e citosina. Eles assumiram que essas moléculas ocorriam em igual quantidade e, por isso, descartaram qualquer outra medida experimental que apontasse para possíveis erros.

Chargaff mostrou por medidas precisas que essa suposição estava errada. Ele encontrou que a quantidade de adenina era equivalente à de timina e que a de guanina era igual à de citosina, mas que essas quantidades não eram iguais entre elas. De forma bruta, as quantidades são: A=T=30% e G=C=20%

A primeira regra de pareamento de Chargaff, como agora é chamada, foi uma pista muito importante e que James Watson e Francis Crick usaram para desenvolver seu modelo de pares de base para a estrutura da dupla hélice. Hoje os biólogos sabem que, já que A se liga com T e G se liga a C, para formar a dupla hélice, que essa regra se aplica a todo DNA de dupla fita.

Chargaff foi além e descobriu que uma versão aproximada desta regra também se aplicada à maioria (mas não todo) dos DNAs de fita simples. Mas este é um enigma ainda maior e os biologistas ainda não têm certeza porque isso é verdade.

As regras de Chargaff são importantes porquê apontam para um tipo de "gramatica da biologia", um grupo de regras ocultas que governam a estrutura do DNA. Essa gramatica há de se revelar como padrões de DNA que são invariáveis por todas as espécies.

Mas nos 60 anos desde a descoberta do padrão invariável de Chargaff, nenhum outro emergiu. Até agora.

Hoje, Michel Yamagishi do Laboratório de Bioinformática Aplicada, Brasil, e Roberto Herai da Unicamp, São Paulo, dizem que descobriram diversos novos padrões que ampliam significativamente a gramatica do DNA.

Essa abordagem é simples. Esses caras usam a teoria de conjunto pra mostrar que as regras existentes de Chargaff implicam na existência de outro padrão, em um nível superior.

Veja como. Uma forma de se pensar nos padrões do DNA é dividindo-o em uma sequência de palavras de um determinado comprimento, k. A regra de Chargaff é aplicável a palavras onde k=1, em outras palavras, a nucleotídeos isolados.

Mas e para as palavras onde k=2 (por ex. AA, AC, AG, AT e assim por diante) ou k=3 (AAA, AAG, AAC, AAT e assim por diante)? Os bioquímicos chamam essas palavras de oligonucleotídeos. A teoria dos conjuntos implica em que conjuntos inteiros dessas palavras "k" devem também obedecer a padrões fractais .

Yamagishi e Herai os decompuseram em quarto equações.

Claro que esses padrões só podem ser vistos em enormes bases de dados de DNA. Com certeza, Yamagishi e Herai massacraram as sequencias de DNA de 32 espécies procurando por esses padrões . E eles os encontraram.

Eles dizem que os padrões aparecem com grande precisão em 30 dessas espécies, incluindo humanos, e. coli e para a planta arabidopsis. Somente o Vírus da Imunodeficiência Humana (HIV) e a Xylella fastidiosa 9a5c, uma praga que ataca pêssegos, não seguem esse padrão.

"Essas novas regras mostram pela primeira vez que a frequência dos oligonucleotideos têm uma propriedade invariável ao longo de um grande conjunto de genomas" dizem eles.

Isso pode se tornar extremamente útil para avaliar o desempenho de novas tecnologias para sequenciamento de genomas completos em alta velocidade.

Um problema com estas técnicas é saber o quanto precisamente elas funcionam. Yamagishi e Herai sugerem que um teste simples seria checar se a nova sequência genômica contem esses padrões invariáveis: caso não, isso pode ser um sinal que a tecnologia pode estar introduzindo algum tipo de bias.

Isso é parecido com uma soma de verificação para encontrar erros acidentais em blocos de dados e um pedaço de ciência pura para arrancar.

Ref: arxiv.org/abs/1112.1528: Chargaff's "Grammar of Biology": New Fractal-like Rules

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