Cromossomos Gigantes!
Introdução
Objetivos:
O objetivo principal desta prática é mostrar fisicamente o quão grande e complexo é o nosso DNA, enfocando os cromossomos e genes, estruturas muitas vezes tratadas de maneira extremamente abstrata. Isto se dá através da construção de uma maquete do cromossomo 22 humano, um dos menores cromossomos que possuímos. Assim, torna-se claro que o nosso DNA é composto em grande parte por “espaços em branco”, ou seja, seqüência de nucleotídeos que não possuem informações para a síntese de RNA e proteínas. A infinidade de genes que possuímos, bem como de seus diferentes tamanhos também pode ser explorada nesta prática.
Introdução:
O projeto genoma humano terminou no ano de 2003. Neste projeto a seqüência de nucleotídeos humanos dentro do nosso DNA foi revelada pela primeira vez. Mais de 29 milhões de pares de bases então presentes. Nesta enorme quencia foram até hoje encontradas informações para cerca de 27 mil genes.
Estes números grandiosos impressionaram os cientistas, não porque foram de fato grandes, mas sim por serem bem menores que o esperado! Imaginava-se que para tamanha complexidade do ser humano seriam necessários centenas de milhares de genes. Para se ter uma idéia, nós possuímos apenas cinco vezes mais genes que uma diminuta bactéria, duas vezes mais genes que uma mosca, e a metade de genes que possui um pé de arroz.
Apenas 5% de nosso DNA é ocupado por informações que resultarão na síntese de proteínas e RNA.
E o que compõe os outros 95% de nosso DNA?
Esses 95% contam a história evolutiva de nosso material genético; Genes que sofreram mutações e não levam mais informações para a síntese de proteínas ou RNA, bem como pedaços de material genético de vírus inseridos no DNA, ou ainda a presença de elementos transponíveis, pedaços de DNA capazes de se auto-replicar dentro do genoma, que ocupam cerca de 50% de nosso material genético.
Além destes componentes ainda existem outras importantes estruturas no nosso DNA; o centrômero, região responsável pela união de cromossomos homólogos durante as etapas de divisão celular, e os telômeros, enormes seqüências repetitivas encontradas nas extremidades dos cromossomos que protegem a perda de material genético durante a duplicação.
Ainda por cima, mesmo dentro de uma parte codificante de nosso DNA, isto é, um gene, somente pequenas porções irão possuir a informação para a síntese de proteínas, os chamados éxons. Os pedaços não codificantes do gene não são utilizados como molde na montagem do RNA mensageiro que sairá do núcleo para a construção de proteínas. Estes pedaços são conhecidos como íntrons (ver no fim do experimento a sessão para saber mais que relata a surpriendente montagem alternativa de íntrons e éxons).
A moral desta história é que quase tudo do nosso DNA é composto por espaços sem informação, mas será que esses espaços possuem alguma função?
Maquete do cromossomo 22 humano e seus mais de 800 genes!
Materiais necessários
- • Mapa de montagem do cromossomo 22, encontrado para impressão no site do ponto ciência,
- • 52 m de Barbante,
- • Régua ou fita métrica de 1 metro,
- • Canetas hidrocor coloridas, três cores, verde, azul e vermelho
- • Tinta guache de cinco cores, verde, azul, preto, amarelo e vermelho
- • Pinceis,
- • Tesoura,
- • Duas garrafas pet de 350-500ml,
- • Cola para plástico,
- • Fita adesiva,
- • Furadeira ou ferro de solda,
- • Borracha termossensível.
Passo 1
Pegando o mapa de montagem
Pegue o mapa de montagem do cromossomo 22 no site:
https://pontociencia.org.br/pdf/cromossomos_gigantes_3.pdf
Este mapa terá a informação de montagem do cromossomo 22, metro a metro. A escala utilizada será de 1 metro de barbante para a 1 milhão de pares de bases! Ou seja, a cada metro de barbante teremos em correspondência 1 milhão seqüência de nucleotídeos A—T e G—C! Como o cromossomo 22 possui 51 milhões de pares de base, teremos um modelo de 51 metros!
Esta tarefa é bastante trabalhosa, desta forma recomendamos que você não trabalhe sozinho. Conseguimos montar em dupla esta maquete em três tardes de trabalho.
Preparado? Então separe 51 metros de barbante.
Passo 2
Estabelecendo a legenda
Passo 2- Estabelecendo a legenda
A estrutura do DNA lembra uma escada em espiral, composta de duas fitas que se encaixam. Porém, um detalhe interessante é que estas fitas estão sentidos opostos. Como a leitura da informação se dá somente um sentido (definido quimicamente pelo sentido 5’ para o 3’), em um pedaço de dupla fita de DNA poderão haver informações para genes que sobem ou que descem esta escada. Para representar isto vamos pintar de cores diferentes os genes que estão em um lado da fita em relação aos genes que estão do outro lado.
Para os genes que estão do lado direito (descem a escada), vamos usar a cor verde.
Para os genes que estão do lado esquerdo (sobem a escada), vamos usar a cor azul.
Para os pseudo-genes, genes que por causa de mutações deixaram de ter função, vamos pintar com a cor vermelha, independente de qual fita está presente.
Para o centrômero, região do DNA responsável pela união de cromossomos homólogos, vamos pintar de preto.
Para os telômeros, região do DNA responsável por evitar que as pontas do DNA se percam durante a replicação, vamos pintar de amarelo, ou, usando a borracha termo sensível, vamos deixá-lo com seu formato natural de gancho.
Mapa de montagem.
Passo 3
Preparando para a pintura
Pegando o mapa de montagem, a régua de 1 metro e as canetas coloridas marque, metro a metro, os genes com as cores indicada na legenda. Marcar a posição dos genes antes de pintá-los adianta o processo, torna-o mais preciso e evita manchas de tinta. Preste bastante atenção na legenda e perceba que grande parte dos genes marcados terão menos que 3 cm. Alguns alcançarão quase 50 cm, isto é, 500 mil pares de bases segundo nossa escala!.
Prender as extremidades do barbante com fita crepe também ajuda bastante na hora da marcação.
Esta etapa é bastante trabalhosa.
régua utilizada como auxílio na montagem.
Passo 4
Pintando o barbante
Após ter marcado todos os genes no barbante pinte-os. Preste atenção na hora de pintar o centrômero de preto e os telômeros, localizados nas extremidades, de amarelo.
Algo que pode facilitar bastante é dividir a tarefa entre duas pessoas, uma pintando os genes que estão em um sentido da fita (azul) e outra pintando os genes do outro sentido (verde).
Pintando o barbante, ou melhor, os genes!
Passo 5
Fazendo um suporte para sua maquete do cromossomo 22.
Vale lembrar que o DNA não está dentro de nenhum estrutura, mas sim que ele é empacotado por meio de proteínas que se aderem nas fitas, as histonas. As histonas formam um arcabouço extremamente complexo para guardar o DNA.
Portanto estamos fazendo nesta etapa somente um suporte para sua maquete, uma espécie de pedestal.
O cromossomo 22 é um cromossomo acrossômico, isto é, possui braços de tamanhos muito diferentes. Vamos fazer a base de sustentação desta mesma forma.
Pegue a garrafa pet (20-25 cm de tamanho) e corte suas duas extremidades, retirando cerca de 15 cm de sua parte central. Junte as extremidades e as cole com cola plástica de forma a estrutura final possua cerca de 5 cm.
A outra garrafa pet não será modificada.
Pegue agora a tampa das duas garrafas e as cole com cola para plástico sua superfície lisa, de modo que elas fiquem opostas com as partes de enrosque com a garrafa livres.Agora, com o auxílio de um ferro de solda ou uma furadeira, faça um orifício na parte central das tampas coladas com cerca de 2 cm de diâmetro. Bastante cuidado nesta operação.
Passo 6
Guardando no pedestal
Agora atravesse parte da fita pelo orifício feito nas tampas das garrafas até a altura do centrômero. Fazendo pequenos bolinhos insira o barbante nas garrafas de modo que a menor parte do DNA fique na garrafa menor e a maior parte na maior garrafa. O centrômero deve ficar na região da união das tampas. Enrosque as garrafas e pronto!
Colocando o cromossomo no pedestal.
Passo 7
O que acontece!
O principal objetivo desta prática é ter uma noção de tamanho do nosso DNA. Algumas propriedades saltam aos olhos logo que o barbante de 51 metros é esticado.
Recomendamos explorar as seguintes questões:
- presença de genes de diferentes tamanhos e dentro deles a presença de íntrons e éxons;
- posição e o diminuto tamanho do centrômero. Como uma estrutura tão importante pode ser tão pequena?
- posição e o grande tamanho dos telômeros
- O fato do braço curto do cromossomo 22 não possuir nenhum gene. Até aproximadamente o par de bases 17 milhões não foram encontrados genes!
- Presença no cromossomo 22 dos genes das imunoglobulinas. As imunoglobulinas são importantes proteínas responsáveis pela identificação de moléculas no nosso organismo, fundamentais para a boa função do sistema imunológico. A perda desta pequena porção de cerca de 500 milhões de pares de bases poderia causar uma doença gravíssima, onde nosso sistema imunológico não funcionaria corretamente, algo semelhante com o que ocorre em no estágio final de uma infecção pelo vírus HIV.
Vale ainda lembrar que a escolha do cromossomo 22 não foi aleatória. Dois motivos pesaram nesta decisão; O primeiro é que pela escala proposta no trabalho, onde um metro equivale a um milhão de pares de bases, um cromossomo pequeno, como o cromossomo 22 é muito mais fácil de se reproduzir. Imagine se o trabalho fosse feito com o cromossomo 1? A maquete teria 250 metros e mais de 3.500 genes pintados! O cromossomo 22 é um dos menores genes, com 51 milhões de pares de bases com cerca de 850 genes. Assim fica mais fácil trabalhar! O outro motivo é que o cromossomo 22 é o mais pesquisado pelos cientistas. Assim as informações referentes a ele estão mais completas.
Outro ponto a ser explorado é que apenas 5% do material genético humano possui informações para a expressão de genes ou RNA. E qual seria a explicação para isto?
Uma das explicações para tanto material genético sem função é que na verdade isto seria uma forma de nos proteger de mutações. Imagine que as mutações oriundas de lesão no nosso DNA, como por exemplo a causada pela radiação solar, ocorra de maneira aleatória. Sendo apenas 5% de nosso DNA composto de informações para genes e RNA, temos uma chance em 20 para que a parte lesada realmente gerar realmente uma mutação somática.
Outra explicação é que os transposons, tipos específicos de seqüências sem função para nosso organismo, responsáveis pela ocupação de 50% de nosso DNA, seriam moléculas que, assim como um ser vivo, buscam uma reprodução massiva. Nosso DNA seria uma espécie de ambiente para a multiplicação deste tipo de seqüência. Assim nosso DNA seria um habitat já ocupado em 50% por esta espécie! A descoberta dos transposons valeu o prêmio Nobel de 1983 para Barbara McClintock,
Passo 8
Para saber mais!
As informações retiradas deste trabalho forão encontradas no site do NCBI, (sicla em inglês que significa Centro nacional de informações biotecnológicas – site dos Estados Unidos). Este site reúne resultados de trabalhos científicos de todo o mundo. O volume de informações gerado é realmente impressionante! Além disto, ele faz ligações entre os trabalhos científicos em questão, sendo uma excelente ferramenta para pesquisas científicas. Para se ter uma rápida idéia da quantidade de informações neste site é possível clicar em cada gene até então identificado no nosso DNA e descobrir sua possível função, o método usado na sua descoberta e trabalhos científicos relacionados. Um verdadeiro safári em nosso DNA.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/guide/human/
As ferramentas básicas deste site são de fácil aprendizado, porém, até mesmo pesquisas de ponta podem utilizar de informações e ferramentas deste site, necessitando de dedicação e conhecimento muito maiores.
Para a pesquisa de genes dentro de nosso DNA a ferramenta de zoom (de fácil acesso pelo mouse clicando em cima de genes_seq) já basta para explorarmos o nome e a função dos genes em nosso DNA.
Perceba que grande parte dos genes identificados ainda não possui função desvendada, ou ainda que grande parte é classificada como pseudogenes.
Fonte: Ponto Ciência