Crick estava interessado em dois problemas fundamentais da biologia não resolvidos: como as moléculas fazem a transição do não-vivo para o vivo, e como o cérebro faz uma mente consciente. Ele percebeu que sua formação o tornou mais qualificado para a pesquisa sobre o primeiro tópico e o campo da biofísica. Foi nesta época da transição de Crick da física para a biologia que ele foi influenciado por Linus Pauling e Erwin Schrödinger. Estava claro em teoria que ligações covalentes em moléculas biológicas poderiam fornecer a estabilidade estrutural necessária para manter a informação genética nas células. Só permaneceu como um exercício de biologia experimental descobrir exatamente qual molécula era a molécula genética. Na opinião de Crick, a teoria da evolução por seleção natural de Charles Darwin, a genética de Gregor Mendel e o conhecimento da base molecular da genética, quando combinados, revelaram o segredo da vida. Crick tinha a visão muito otimista de que a vida seria criada muito em breve em um tubo de ensaio. No entanto, algumas pessoas (como a pesquisadora e colega Esther Lederberg) achavam que Crick era excessivamente otimista
Era claro que alguma macromolécula como uma proteína era provavelmente a molécula genética. No entanto, era bem conhecido que as proteínas são macromoléculas estruturais e funcionais, algumas das quais realizam reacções enzimáticas das células. Nos anos 40, algumas evidências tinham sido encontradas apontando para outra macromolécula, o DNA, o outro componente principal dos cromossomos, como uma molécula genética candidata. Na experiência de Avery-MacLeod-McCarty de 1944, Oswald Avery e seus colaboradores mostraram que uma diferença fenotípica hereditária poderia ser causada em bactérias fornecendo-lhes uma molécula particular de DNA.
No entanto, outras evidências foram interpretadas como sugerindo que o DNA era estruturalmente desinteressante e possivelmente apenas um andaime molecular para as moléculas proteicas aparentemente mais interessantes. Crick estava no lugar certo, no estado de espírito certo, no momento certo (1949), para se juntar ao projeto de Max Perutz na Universidade de Cambridge, e ele começou a trabalhar na cristalografia de raios-X de proteínas. A cristalografia de raios X ofereceu teoricamente a oportunidade de revelar a estrutura molecular de moléculas grandes como proteínas e DNA, mas houve sérios problemas técnicos que impediram que a cristalografia de raios X fosse aplicável a tais moléculas grandes.
1949-1950Editar
Crick ensinou-se a si mesmo a teoria matemática da cristalografia de raios X. Durante o período do estudo de Crick da difração de raios X, pesquisadores no laboratório de Cambridge estavam tentando determinar a conformação helicoidal mais estável das cadeias de aminoácidos em proteínas (a hélice alfa). Linus Pauling foi o primeiro a identificar a proporção de 3,6 aminoácidos por hélice de rotação da hélice alfa. Crick foi testemunha dos tipos de erros que seus colegas de trabalho cometeram em suas tentativas fracassadas de fazer um modelo molecular correto da hélice alfa; estas se revelaram lições importantes que poderiam ser aplicadas, no futuro, à estrutura helicoidal do DNA. Por exemplo, ele aprendeu a importância da rigidez estrutural que as duplas ligações conferem às estruturas moleculares, que é relevante tanto para as ligações peptídeo em proteínas quanto para a estrutura dos nucleotídeos no DNA.
1951-1953: Estrutura do DNAEdit
Em 1951 e 1952, juntamente com William Cochran e Vladimir Vand, Crick ajudou no desenvolvimento de uma teoria matemática da difração de raios X por uma molécula helicoidal. Este resultado teórico combinou bem com dados de raios X para proteínas que contêm sequências de aminoácidos na conformação da hélice alfa. A teoria da difração helicoidal também se mostrou útil para a compreensão da estrutura do DNA.
No final de 1951, Crick começou a trabalhar com James Watson no Laboratório Cavendish da Universidade de Cambridge, Inglaterra. Usando a “Photo 51” (os resultados da difração de raios X de Rosalind Franklin e seu aluno de pós-graduação Raymond Gosling do King’s College London, dados a eles por Gosling e seu colega Wilkins), Watson e Crick desenvolveram juntos um modelo para uma estrutura helicoidal de DNA, que eles publicaram em 1953. Por este e outros trabalhos subseqüentes eles receberam o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1962 com Wilkins.
Quando Watson veio para Cambridge, Crick era um estudante de pós-graduação de 35 anos (devido ao seu trabalho durante a Segunda Guerra Mundial) e Watson tinha apenas 23, mas já tinha obtido um doutorado. Eles compartilharam um interesse no problema fundamental de aprender como a informação genética pode ser armazenada na forma molecular. Watson e Crick falavam sem parar sobre o DNA e a idéia de que poderia ser possível adivinhar um bom modelo molecular de sua estrutura. Uma peça chave de informação derivada experimentalmente veio de imagens de difração de raios X que tinham sido obtidas por Wilkins, Franklin, e Gosling. Em novembro de 1951, Wilkins veio a Cambridge e compartilhou seus dados com Watson e Crick. Alexander Stokes (outro especialista em teoria da difração helicoidal) e Wilkins (ambos no King’s College) chegaram à conclusão de que os dados de difração de raios X para o DNA indicavam que a molécula tinha uma estrutura helicoidal – mas Franklin contestou veementemente esta conclusão. Estimulado por suas discussões com Wilkins e pelo que Watson aprendeu ao participar de uma palestra dada por Franklin sobre seu trabalho no DNA, Crick e Watson produziram e mostraram um primeiro modelo errado de DNA. Sua pressa em produzir um modelo de estrutura de DNA foi impulsionada em parte pelo conhecimento de que eles estavam competindo contra Linus Pauling. Dado o recente sucesso de Pauling em descobrir a hélice Alfa, eles temiam que Pauling também pudesse ser o primeiro a determinar a estrutura do DNA.
Muitos têm especulado sobre o que poderia ter acontecido se Pauling tivesse sido capaz de viajar para a Grã-Bretanha como planejado em maio de 1952. Como foi, suas atividades políticas fizeram com que sua viagem fosse restrita pelo governo dos Estados Unidos e ele não visitou o Reino Unido até mais tarde, quando não conheceu nenhum dos pesquisadores de DNA na Inglaterra. De qualquer forma, ele estava preocupado com as proteínas na época, não com o DNA. Watson e Crick não estavam oficialmente trabalhando no DNA. Crick estava escrevendo sua tese de doutorado; Watson também tinha outros trabalhos, como tentar obter cristais de mioglobina para experimentos de difração de raios X. Em 1952, Watson realizou difração de raios X sobre o vírus do mosaico do tabaco e encontrou resultados indicando que ele tinha estrutura helicoidal. Tendo falhado uma vez, Watson e Crick estavam agora um pouco relutantes em tentar novamente e por um tempo foram proibidos de fazer mais esforços para encontrar um modelo molecular de DNA.
De grande importância para o esforço de construção do modelo de Watson e Crick foi o entendimento de Rosalind Franklin sobre química básica, que indicou que os backbones hidrofílicos contendo fosfato das cadeias nucleotídicas do DNA devem ser posicionados de forma a interagir com moléculas de água no exterior da molécula, enquanto as bases hidrofóbicas devem ser embaladas no núcleo. Franklin compartilhou este conhecimento químico com Watson e Crick quando apontou para eles que o primeiro modelo deles (de 1951, com os fosfatos dentro) estava obviamente errado.
Crick descreveu o que ele viu como o fracasso de Wilkins e Franklin em cooperar e trabalhar para encontrar um modelo molecular de DNA como uma das principais razões pelas quais ele e Watson eventualmente fizeram uma segunda tentativa para fazer isso. Eles pediram, e receberam, permissão de William Lawrence Bragg e Wilkins para fazê-lo. Para construir seu modelo de DNA, Watson e Crick fizeram uso de informações de imagens difrativas de raios X não publicadas de Franklin (mostradas em reuniões e livremente compartilhadas por Wilkins), incluindo relatos preliminares dos resultados/fotografias de Franklin das imagens de raios X que foram incluídas em um relatório de progresso escrito para o laboratório do King’s College de Sir John Randall no final de 1952.
É uma questão de debate se Watson e Crick deveriam ter tido acesso aos resultados de Franklin sem o seu conhecimento ou permissão, e antes que ela tivesse a oportunidade de publicar formalmente os resultados da sua análise detalhada dos seus dados de difração de raios X que foram incluídos no relatório de progresso. No entanto, Watson e Crick encontraram falhas em sua afirmação firme de que, de acordo com seus dados, uma estrutura helicoidal não era a única forma possível para o DNA – então eles tinham um dilema. Num esforço para esclarecer esta questão, Max Ferdinand Perutz publicou mais tarde o que tinha estado no relatório de progresso, e sugeriu que nada estava no relatório que a própria Franklin não tivesse dito na sua palestra (assistida por Watson) no final de 1951. Além disso, Perutz explicou que o relatório era para um comitê do Conselho de Pesquisa Médica (MRC) que tinha sido criado para “estabelecer contato entre os diferentes grupos de pessoas que trabalham para o Conselho”. Os laboratórios de Randall e Perutz foram ambos financiados pelo MRC.
Também não está claro quão importantes foram os resultados inéditos de Franklin do relatório de progresso para a construção do modelo feito por Watson e Crick. Após as primeiras imagens de difração de raios X cruas de DNA terem sido coletadas na década de 1930, William Astbury falou sobre pilhas de nucleotídeos espaçados em intervalos de 3,4 angström (0,34 nanômetros) no DNA. Uma citação ao trabalho anterior de Astbury sobre difração de raios X foi uma das oito referências no primeiro trabalho de Franklin sobre DNA. A análise dos resultados de DNA publicados por Astbury e as melhores imagens de difração de raios X coletadas por Wilkins e Franklin revelaram a natureza helicoidal do DNA. Foi possível prever o número de bases empilhadas numa única volta da hélice de ADN (10 por volta; uma volta completa da hélice é de 27 angströms na forma compacta A, 34 angströms na forma mais húmida B). Wilkins compartilhou esta informação sobre a forma B do DNA com Crick e Watson. Crick não viu as imagens de raio-X da forma B de Franklin (Foto 51) até que o modelo de DNA de dupla hélice foi publicado.
Uma das poucas referências citadas por Watson e Crick quando publicaram seu modelo de DNA foi a um artigo publicado que incluía o modelo de DNA de Sven Furberg que tinha as bases no interior. Assim, o modelo de Watson e Crick não foi o primeiro modelo de “bases no” a ser proposto. Os resultados de Furberg também tinham fornecido a orientação correta dos açúcares de DNA em relação às bases. Durante a construção do modelo, Crick e Watson aprenderam que uma orientação antiparalela dos dois backbones de cadeia nucleotídica funcionava melhor para orientar os pares de bases no centro de uma dupla hélice. O acesso de Crick ao relatório de progresso de Franklin do final de 1952 foi o que fez Crick confiar que o DNA era uma dupla hélice com cadeias antiparalelas, mas havia outras cadeias de raciocínio e fontes de informação que também levaram a essas conclusões.
Como resultado de deixar a King’s College para a Birkbeck College, Franklin foi convidada por John Randall a desistir do seu trabalho no DNA. Quando ficou claro para Wilkins e os supervisores de Watson e Crick que Franklin estava indo para o novo trabalho, e que Linus Pauling estava trabalhando na estrutura do DNA, eles estavam dispostos a compartilhar os dados de Franklin com Watson e Crick, na esperança de que eles pudessem encontrar um bom modelo de DNA antes de Pauling ser capaz. Os dados de difração de raios X de Franklin para DNA e sua análise sistemática das características estruturais do DNA foram úteis para Watson e Crick para guiá-los em direção a um modelo molecular correto. O problema chave para Watson e Crick, que não pôde ser resolvido pelos dados do King’s College, foi adivinhar como as bases nucleotídicas se encaixam no núcleo da dupla hélice do DNA.
Outra chave para encontrar a estrutura correta do DNA foram as chamadas proporções Chargaff, proporções experimentalmente determinadas das subunidades nucleotídicas do DNA: a quantidade de guanina é igual à citosina e a quantidade de adenina é igual à timina. Uma visita de Erwin Chargaff à Inglaterra, em 1952, reforçou a importância deste importante fato para Watson e Crick. A importância destas proporções para a estrutura do DNA não foi reconhecida até que Watson, persistindo na construção de modelos estruturais, percebeu que os pares A:T e C:G são estruturalmente semelhantes. Em particular, o comprimento de cada par de base é o mesmo. Chargaff tinha também apontado a Watson que, no ambiente aquoso e salino da célula, os tautómeros predominantes das bases pirimidina (C e T) seriam as configurações amina e keto da citosina e timina, em vez das formas imina e enol que Crick e Watson tinham assumido. Eles consultaram Jerry Donohue que confirmou as estruturas mais prováveis das bases nucleotídicas. Os pares de bases são mantidos juntos por ligações de hidrogênio, a mesma interação não covalente que estabiliza a proteína α-helix. As estruturas corretas foram essenciais para o posicionamento das ligações de hidrogênio. Estes insights levaram Watson a deduzir as verdadeiras relações biológicas dos pares A:T e C:G. Após a descoberta dos pares A:T e C:G ligados ao hidrogênio, Watson e Crick logo tiveram seu modelo de DNA anti-paralelo, de dupla helicoidal, com as ligações de hidrogênio no núcleo da hélice fornecendo uma forma de “descompactar” os dois fios complementares para fácil replicação: o último requisito fundamental para um modelo provável da molécula genética. Por mais importantes que fossem as contribuições de Crick para a descoberta do modelo de DNA de dupla helicoidal, ele afirmou que sem a chance de colaborar com Watson, ele não teria encontrado a estrutura sozinho.
Crick tentou tentar realizar alguns experimentos de emparelhamento de base nucleotídica, mas ele era mais um biólogo teórico do que um biólogo experimental. Houve outra quase descoberta das regras de emparelhamento de bases no início de 1952. Crick tinha começado a pensar em interações entre as bases. Ele pediu a John Griffith para tentar calcular interações atraentes entre as bases de DNA a partir de princípios químicos e mecânica quântica. O melhor palpite de Griffith foi que A:T e G:C eram pares atraentes. Naquela época, Crick não estava ciente das regras de Chargaff e ele fez pouco dos cálculos de Griffith, embora isso o tenha feito pensar em replicação complementar. A identificação das regras corretas de pares de bases (A-T, G-C) foi conseguida por Watson “jogando” com modelos recortados de cartolina das bases nucleotídicas, muito na forma como Linus Pauling tinha descoberto a hélice alfa da proteína alguns anos antes. A descoberta de Watson e Crick da estrutura de dupla hélice de DNA foi possível pela sua vontade de combinar teoria, modelagem e resultados experimentais (embora a maioria tenha sido feita por outros) para atingir sua meta.
A estrutura de dupla hélice de DNA proposta por Watson e Crick foi baseada nas ligações “Watson-Crick” entre as quatro bases mais frequentemente encontradas no DNA (A, C, T, G) e RNA (A, C, U, G). Entretanto, pesquisas posteriores mostraram que estruturas moleculares de DNA mais complexas, de cadeia tripla, cadeia quádrupla e outras estruturas moleculares de DNA mais complexas exigiam o emparelhamento das bases do Hoogsteen. Todo o campo da biologia sintética começou com o trabalho de pesquisadores como Erik T. Kool, no qual bases diferentes de A, C, T e G são usadas em um DNA sintético. Além do DNA sintético há também tentativas de construir códons sintéticos, endonucleases sintéticas, proteínas sintéticas e dedos de zinco sintéticos. Usando o DNA sintético, em vez de haver 43 códons, se houver n novas bases podem haver tantos como n3 códons. Atualmente está sendo feita uma pesquisa para ver se os códons podem ser expandidos para mais de 3 bases. Estes novos códons podem codificar para novos aminoácidos. Estas moléculas sintéticas podem ser usadas não só na medicina, mas na criação de novos materiais.
A descoberta foi feita em 28 de Fevereiro de 1953; o primeiro papel Watson/Crick apareceu na Natureza em 25 de Abril de 1953. Sir Lawrence Bragg, o diretor do Laboratório Cavendish, onde Watson e Crick trabalhavam, deu uma palestra na Guy’s Hospital Medical School, em Londres, na quinta-feira 14 de maio de 1953, que resultou num artigo de Ritchie Calder no News Chronicle of London, na sexta-feira 15 de maio de 1953, intitulado “Why You Are You. O segredo mais próximo da vida”. A notícia chegou aos leitores do The New York Times no dia seguinte; Victor K. McElheny, ao pesquisar sua biografia, “Watson e DNA”: Making a Scientific Revolution”, encontrou um recorte de um artigo de seis parágrafos do New York Times escrito em Londres e datado de 16 de Maio de 1953 com o título “Form of ‘Life Unit’ in Cell Is Scanned.” O artigo foi publicado em uma edição inicial e foi então puxado para dar espaço a notícias consideradas mais importantes. (O New York Times publicou posteriormente um artigo mais longo em 12 de Junho de 1953). O jornal universitário Varsity também publicou um pequeno artigo sobre a descoberta, no sábado, 30 de maio de 1953. O anúncio original da descoberta feita por Bragg numa conferência da Solvay sobre proteínas na Bélgica a 8 de Abril de 1953 não foi relatado pela imprensa britânica.
Numa carta de sete páginas, escrita à mão ao seu filho num colégio interno britânico a 19 de Março de 1953, Crick explicou a sua descoberta, começando a carta “My Dear Michael, Jim Watson and I have probably made a most important discovery…”. A carta foi posta a leilão na Christie’s New York em 10 de Abril de 2013 com uma estimativa de $1 a $2 milhões, eventualmente vendendo por $6.059.750, a maior quantia já paga por uma carta em leilão.
Sydney Brenner, Jack Dunitz, Dorothy Hodgkin, Leslie Orgel, e Beryl M. Oughton, foram algumas das primeiras pessoas em abril de 1953 a ver o modelo da estrutura do DNA, construído por Crick e Watson; na época eles estavam trabalhando no Departamento de Química da Universidade de Oxford. Todos ficaram impressionados com o novo modelo de DNA, especialmente Brenner, que posteriormente trabalhou com Crick em Cambridge no Laboratório Cavendish e no novo Laboratório de Biologia Molecular. De acordo com o falecido Dr. Beryl Oughton, mais tarde Rimmer, todos eles viajaram juntos em dois carros quando Dorothy Hodgkin lhes anunciou que estavam indo para Cambridge para ver o modelo da estrutura do DNA. Mais tarde a Orgel também trabalhou com Crick no Salk Institute for Biological Studies.
Logo após a morte de Crick, houve alegações sobre ele ter usado LSD quando ele chegou à idéia da estrutura da hélice do DNA. Enquanto ele quase certamente usou LSD, é improvável que ele estivesse fazendo isso já em 1953.
Biologia MolecularEditar
Em 1954, aos 37 anos de idade, Crick completou sua tese de doutorado: “Difração de Raio X”: Polipéptidos e Proteínas” e recebeu o seu diploma. Crick então trabalhou no laboratório de David Harker no Brooklyn Polytechnic Institute, onde continuou a desenvolver suas habilidades na análise de dados de difração de raios X para proteínas, trabalhando principalmente na ribonuclease e nos mecanismos de síntese de proteínas. David Harker, o cristalografo americano de raios X, foi descrito como “o John Wayne da cristalografia” por Vittorio Luzzati, um cristalografo do Centro de Genética Molecular em Gif-sur-Yvette perto de Paris, que tinha trabalhado com Rosalind Franklin.
Após a descoberta do modelo de dupla hélice do DNA, os interesses de Crick rapidamente se voltaram para as implicações biológicas da estrutura. Em 1953, Watson e Crick publicaram outro artigo na Nature que dizia: “Portanto, parece provável que a seqüência precisa das bases seja o código que carrega a informação genética”.
Em 1956, Crick e Watson especularam sobre a estrutura de pequenos vírus. Eles sugeriram que vírus esféricos como o Tomato bushy stunt virus tinham simetria icosaédrica e eram feitos a partir de 60 subunidades idênticas.
Após seu curto tempo em Nova York, Crick retornou a Cambridge onde trabalhou até 1976, época em que se mudou para a Califórnia. Crick participou em várias colaborações de difração de raios X, como uma com Alexander Rich sobre a estrutura do colágeno. No entanto, Crick afastou-se rapidamente do trabalho contínuo relacionado com a sua experiência na interpretação dos padrões de difração de raios X de proteínas.
George Gamow estabeleceu um grupo de cientistas interessados no papel do RNA como intermediário entre o DNA como molécula de armazenamento genético no núcleo das células e a síntese de proteínas no citoplasma (o RNA Tie Club). Era claro para Crick que tinha que haver um código pelo qual uma sequência curta de nucleotídeos especificaria um aminoácido particular em uma proteína recém-sintetizada. Em 1956, Crick escreveu um artigo informal sobre o problema de codificação genética para o pequeno grupo de cientistas do grupo RNA da Gamow. Neste artigo, Crick revisou a evidência apoiando a idéia que havia um jogo comum de cerca de 20 aminoácidos usados para sintetizar proteínas. Crick propôs que havia um jogo correspondente de “moléculas de adaptador” pequenas que ligariam hidrogênio a seqüências curtas de um ácido nucleico, e também ligam a um dos aminoácidos. Ele também explorou as muitas possibilidades teóricas pelas quais seqüências curtas de ácido nucléico poderiam codificar para os 20 aminoácidos.
Durante os anos 50 Crick estava muito intelectualmente engajado em classificar o mistério de como as proteínas são sintetizadas. Em 1958, o pensamento de Crick tinha amadurecido e ele podia listar de forma ordenada todas as características chave do processo de síntese de proteínas:
- informação genética armazenada na sequência de moléculas de DNA
- uma molécula de RNA “mensageiro” para carregar as instruções para fazer uma proteína ao citoplasma
- moléculas do adaptador (“eles podem conter nucleotides”) para combinar sequências curtas de nucleotides nas moléculas do mensageiro de RNA a aminoácidos específicos
- ribonucleic-complexos proteicos que catalisam a montagem de aminoácidos em proteínas de acordo com o mensageiro RNA
As moléculas adaptadoras foram eventualmente mostradas para ser tRNAs e os complexos catalíticos “ribonucleic-protein complexes” tornaram-se conhecidos como ribossomos. Um passo importante foi mais tarde perceber (em 1960) que o RNA mensageiro não era o mesmo que o RNA ribossómico. Nada disto, contudo, respondeu à questão teórica fundamental da natureza exacta do código genético. Em seu artigo de 1958, Crick especulou, como outros, que um trigêmeo de nucleotídeos poderia codificar para um aminoácido. Tal código poderia ser “degenerado”, com 4×4×4=64 possíveis trigêmeos dos quatro subunidades de nucleotídeos enquanto havia só 20 aminoácidos. Alguns aminoácidos poderiam ter múltiplos códigos de trigêmeos. Crick também explorou outros códigos em que, por várias razões, só alguns dos trigêmeos foram usados, “magicamente” produzindo só as 20 combinações necessárias. Os resultados experimentais foram necessários; a teoria sozinha não podia decidir a natureza do código. Crick também usou o termo “dogma central” para resumir uma idéia que implicava que o fluxo de informação genética entre macromoléculas seria essencialmente unidirecional:
DNA → RNA → Proteína
Alguns críticos pensavam que ao usar a palavra “dogma”, Crick estava implicando que esta era uma regra que não podia ser questionada, mas tudo o que ele realmente queria dizer era que era uma idéia convincente sem muitas evidências sólidas para apoiá-la. Em seu pensamento sobre os processos biológicos que ligam os genes do DNA às proteínas, Crick deixou explícita a distinção entre os materiais envolvidos, a energia necessária e o fluxo de informação. Crick estava focado neste terceiro componente (informação) e tornou-se o princípio organizador do que ficou conhecido como biologia molecular. Crick já havia se tornado um biólogo molecular teórico altamente influente.
A prova de que o código genético é um código trigêmeo degenerado finalmente veio de experimentos genéticos, alguns dos quais foram realizados por Crick. Os detalhes do código vieram principalmente do trabalho de Marshall Nirenberg e outros que sintetizaram moléculas sintéticas de RNA e as utilizaram como modelos para a síntese protéica in vitro. Nirenberg anunciou seus resultados a uma pequena audiência em Moscou, em uma conferência de 1961. A reação de Crick foi convidar Nirenberg para dar sua palestra a um público maior.