Como uma BACTÉRIA ajudou a DETECTAR o CORONAVÍRUS?

Se você acordar de manhã com febre, falta de ar e tosse, que são sintomas do novo coronavírus, você provavelmente vai procurar uma unidade de saúde, não é mesmo?

Se essa unidade de saúde tiver a estrutura mínima para fazer testes, eles vão coletar uma amostra do fundo do seu nariz e enviar para um laboratório que vai fazer o teste de PCR. Nesse teste, a amostra que pode ou não conter o vírus é processada e o material genético do coronavírus exposto a uma reação química que mudou a história da biologia molecular e da humanidade: a reação em cadeia da polimerase. Essa técnica é tão revolucionária que ela permite amplificar RNA ou DNA, que são as moléculas base do genoma de qualquer organismo e obter bilhões de cópias a partir de uma amostra. Isso faz com que a gente consiga de fato ver se naquela amostra testada havia uma única partícula de material genético inicialmente nanoscópica, mas que após a amplificação, se tornou detectável.

E sem entrar muito em detalhes de como essa técnica funciona eu vou te contar como na década de 80, um cientista curioso chamado Kary Mullis nos presenteou com a PCR que hoje nos permite vislumbrar onde a pandemia de coronavírus está fazendo pacientes infectados e vítimas. Sejam bem-vindos ao Olá, Ciência!

Fontes termais e gêiseres podem não ser os primeiros lugares que você olharia buscando formas de lutar contra uma pandemia. Mas foi nesses ambientes extremos que conseguimos a ferramenta para identificar, rastrear e entender uma infinidade de patógenos por meio de uma técnica chamada Reação em Cadeia da Polimerase.

Na verdade, se essas fontes termais não tivessem sido observadas com cuidado, a biologia molecular, uma área que estuda a atividade das moléculas que regem os organismos vivos, ainda estaria presa na década de 60.

Mas pra entender isso, precisamos voltar aos anos 50 quando a PCR ainda estava nos seus primórdios. Toda a comunidade científica estava completamente vislumbrada por ter visto pela primeira vez a estrutura do DNA e já pensando em mil maneiras de como ler o código genético de cada organismo, por meio do sequenciamento.

O sequenciamento, que consiste de literalmente ler letra por letra do código genético, nessa época era muito prematuro e dependia de uma série de reações químicas que cortavam o DNA em pequenos pedaços, que eram então avaliados individualmente até se obter o código de uma parte minúscula do DNA. Só pra ter ideia do quanto demorava, depois da detecção da estrutura do DNA em 1953 por Watson e Crick a partir dos estudos de Rosalind Franklin e Maurice Wilkins, só em 1965, foi que Robert Holley conseguiu sequenciar uma pequena parte do genoma da bactéria Sacharommices Cerevisae, que hoje é utilizada na fabricação de cerveja. Essa história é muito bem contada no excelente artigo de James Heather e Benjamin Chain que tá no fim do texto, pra quem tiver curiosidade [2].

A grande dificuldade para o sequenciamento era que era muito difícil de obter cópias de DNA suficientes, afinal cada célula, só possui uma cópia do genoma. Os cientistas sabiam que uma maneira de multiplicar o DNA abriria muitas portas pra gente entender como é o genoma dos organismos, incluindo o humano.

Concomitante às tentativas de desenvolver técnicas de sequenciamento, cientistas identificaram em 1957 a primeira DNA polimerase, uma enzima que fazia exatamente o que todo mundo precisava: pegava nucleotídeos, as letrinhas do DNA e completava cadeias de DNA. Bastava uma única fita de DNA como molde e uma segunda fita incompleta, para a DNA polimerase desesperada ir até a fita com falta de nucleotídeos e completá-la. Essa enzima existe no corpo de todos os organismos, exceto na grande maioria dos vírus, que dependem da maquinaria celular do hospedeiro para fazer cópias do seu próprio material genético. É a enzima DNA polimerase que faz cópias dos genomas das células, permitindo com que elas se multipliquem e exatamente nesse momento enquanto você assiste esse vídeo, suas DNA polimerases estão multiplicando DNA na sua pele, no seu intestino, no seu corpo todo.

Pesquisadores logo descobriram que eles podiam isolar unidades de DNA polimerase da bactéria E. coli e utilizar a enzima para multiplicar cópias de DNA in vitro, ou seja, poderiam multiplicar uma única cópia de DNA de uma amostra! Mas existia um obstáculo.

Antes da DNA polimerase começar a copiar o DNA, a dupla fita do DNA encontrada em todas as células dos organismos precisava ser separada em duas fitas. Daí reagentes chamados primers se ligam à cada uma das fitas e indicam pra DNA polimerase onde ela deve começar a copiar o DNA.No nosso corpo, todo esse processo é feito por uma série de enzimas e proteínas, mas in vitro não temos como adicionar tudo isso ao tubo de reação.

Mas ainda existe uma maneira de separar DNA in vitro. Basta aquecer a amostra a 90ºC e o DNA simplesmente desnatura, literalmente, se quebra em duas fitas diferentes. Então você pode esquentar a amostra a 90ºC para obter as fitas simples e depois esfriar a amostra para permitir a ligação dos primers, permitindo a ação da DNA polimerase. Depois de cada ciclo de aquecimento e resfriamento, você dobra a quantidade de DNA na amostra, porque duas fitas viram 4, 4 viram 8, 8, 16 e assim por diante.
Hoje, cada um desses ciclos dura em torno de 3 minutos, então em algumas horas, a gente consegue transformar uma única cópia de DNA em bilhões de cópias. Só que lá nos anos 60, o processo durava bem mais do que isso, porque os 90ºC que desnaturam o DNA, também desnaturam a DNA polimerase da E. coli. Então, nas primeiras análises de PCR era preciso adicionar DNA polimerase a cada ciclo, o que encarecia demais o processo e o tornava muito demorado… e chato, não é mesmo? Imagina a cada ciclo ter que abrir a máquina, abrir a amostra e pipetar de novo a DNA polimerase nova…

E é aqui que entram as fontes termais e bactérias que conseguem sobreviver nesses ambientes extremos. Em 1966, cientistas descobriram uma bactéria vivendo a mais de 70º nas piscinas termais do Parque de YellowStone nos Estados Unidos. Eles a chamaram de Thermus aquaticus devido à sua habilidade de proliferar em altas temperaturas. E em 1976, cientistas isolaram a sua DNA polimerase, chamada Taq Polimerase. E como a bactéria, essa enzima também podia suportar as altas temperaturas do ambiente, o que a fez perfeita para separar as fitas de DNA em uma reação de PCR a 90ºC sem precisar de adicionar mais enzima a cada ciclo.

Você basicamente podia colocar Taq Polimerase junto com sua amostra, alguns reagentes e primers e simplesmente acionar uma máquina para esquentar e esfriar, gerando ciclos de amplificação seriada de DNA, culminando em milhões de cópias em poucas horas. E isso é uma PCR.

É claro que o processo para detectar o material genético do coronavírus é um pouco mais complicado que isso, afinal esse vírus em específico possui RNA ao invés de DNA. Por isso, é preciso adicionar uma enzima diferente pra transformar o seu RNA em DNA antes de começar todo o processo de PCR tradicional. Mas o que você precisa levar pra casa e contar pros seus amigos e parentes é o seguinte:

Se não fosse a pesquisa básica de um grupo de pesquisadores que estudaram que tipo de organismos conseguiam sobreviver em ambientes extremos como os gêiseres do Parque YellowStone [3], provavelmente nós nem seríamos capazes de detectar o genoma do coronavírus em pacientes que apresentavam uma estranha síndrome respiratória no final de dezembro de 2019 em Wuhan ou mesmo nem seríamos capazes de identificar a paternidade de um filho ou descobrir quem deixou aquele fio de cabelo na cena do crime. Tudo isso foi graças ao PCR e à curiosidade da ciência. Um grande abraço e até a próxima!

[1] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4727787/#bb0040

[2] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4727787/#bb0040

[3] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC232952/pdf/jbacter00316-0528.pdf 


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