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DNA e matemática: novo estudo explica estranhas simetrias no genoma humano

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Fonte

Universidade de Bolonha

Data

quarta-feira, 7 novembro 2018 11:40

Áreas

Matemática. Modelagem Matemática. Bioinformática.

Embora sua descoberta remonte a 65 anos atrás e desde então tenha sido constantemente estudada por cientistas de todo o mundo, a famosa dupla hélice do DNA ainda mantém muitos mistérios. Um deles diz respeito à distribuição dos quatro tipos de nucleotídeos que compõem a estrutura (adenina, timina, guanina e citosina): sabe-se que existem simetrias especiais dentro de cadeias simples de DNA, mas ainda há muito a ser descoberto sobre sua origem.

Um passo adiante nessa direção agora vem do trabalho de um grupo de pesquisa ítalo-australiano envolvendo a Universidade de Milão-Bicocca e a Universidade de Bolonha, na Itália, e a Universidade de Sydney, na Austrália. Publicado na revista Nature Scientific Reports, o estudo apresenta pela primeira vez um modelo matemático capaz de explicar a distribuição particular das bases dentro do DNA. Um resultado que poderia nos ajudar  a compreender os processos evolutivos da dupla hélice e explicar as funções ainda desconhecidas para muitas de suas partes.

Simetria

O genoma humano é formada por mais de três milhões de pares de bases hidrogenadas, os chamados nucleotídeos: adenina (A), timina (T), guanina (G) e citosina (C). Pronunciando um caractere por segundo sem nunca parar, levaria cerca de cem anos para listar toda a sequência de nucleotídeos presentes no genoma humano.

Entre os anos 40 e 50 do século passado, o bioquímico austríaco Dr. Erwin Chargaff, recorrendo à chamado técnica de cromatografia em papel, conseguiu separar a molécula de DNA em suas bases constituintes (precisamente a quatro bases nitrogenadas A, C, G, T) e determinar sua porcentagem de abundância relativa. Graças a esta técnica, o Dr. Erwin notou que enquanto que a composição das bases de DNA varia de uma espécie para outra, em cada corpo há sempre uma simetria precisa: a quantidade de adenina é igual à de timina e a quantidade de guanina é igual à de citosina. Foi esta observação experimental – hoje conhecida como a “Primeira Regra de Chargaff” – que sugeriu aos biólogos Francis Crick e James Watson a estrutura de dupla hélice do DNA (baseada no acoplamento entre AT e CG entre dois filamentos) e que os levou a receber o Prêmio Nobel de Medicina em 1962, juntamente com Maurice Wilkins.

Mas o genoma também possui uma segunda e surpreendente simetria. As mesmas relações, na verdade, permanecem válidas também ao analisar um único filamento de DNA: um paralelismo – conhecido como “Segunda Regra de Chargaff” – que, não sendo ligado à estrutura de dupla hélice do genoma, ainda permanece um mistério.

Matemática e Transposons

Focando precisamente neste problema, o grupo de pesquisa ítalo-australiano conseguiu obter dois resultados importantes. Primeiro, ao analisar a composição do DNA, descobriram que dentro dela há também outras simetrias, não só relacionadas com a contagem das bases individuais, mas relacionadas com quantidades estatísticas mais complexas. Além disso, essas novas simetrias teriam origem em propriedades estruturais específicas de algumas sequências gênicas conhecidas como “transposons”: porções particulares de DNA capazes de se mover dentro do genoma.

Com base no papel de transposons dentro do DNA, os pesquisadores foram capazes de desenvolver um modelo matemático que pode explicar as diferentes simetrias observadas na distribuição de bases nitrogenadas que compõem o genoma. A exatidão do modelo foi validada com a análise detalhada de todo o genoma humano. E os pesquisadores agora estão trabalhando para estender o mesmo tipo de análise ao DNA de outras espécies também.

Hoje sabemos que apenas uma pequena porcentagem de DNA (cerca de 2%) tem a tarefa de construir as mais de cem mil proteínas presentes no corpo humano. O papel dos restantes 98% é ainda apenas parcialmente conhecido e está parcialmente envolvido na regulação dos processos da parte de codificação. A análise realizada pelo grupo de pesquisa ítalo-australiano poderia ser útil tanto para entender melhor os processos evolutivos do genoma quanto para esclarecer os muitos aspectos ainda obscuros de seu funcionamento.

Acesse o artigo científico completo (em inglês).

Acesse a notícia completa na revista da Universidade de Bolonha (em italiano).

Fonte: Revista da Universidade de Bolonha. Imagem: Divulgação.

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