O professor David Baltimore ganhou o prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1975, juntamente com os professores Renato Dulbecco e Howard M. Temin, por suas descobertas relativas à interação entre vírus tumorais e material genético da célula. 

O fascinante mundo dos vírus

Os vírus são partículas minúsculas que infectam as células e às vezes causam doenças. O seu número é incontável, pois cada animal vivo, e até mesmo cada bactéria, possui seu próprio conjunto de vírus. Mais de um milhão de tipos de vírus diferentes já foram identificados! Você, provavelmente, conhece alguns, como o vírus influenza que causa a gripe; o SARS-CoV-2, que causa a COVID-19 ou o varicela-zóster, que causa a catapora. Talvez você já tenha ouvido falar do vírus da síndrome da imunodeficiência adquirida (HIV), que causa a AIDS, ou do vírus Ebola. Os vírus variam muito quanto as suas estruturas (Figura 1), ao número de espécies que eles podem infectar (se infectam apenas uma específica, ou várias delas) e ao seu grau de periculosidade para os organismos que infectam (chamados de hospedeiros). 

Os vírus se multiplicam ao penetrarem na célula hospedeira e inserirem nela seu material genético, que a célula passa a tratar como seu. Dessa forma, os vírus “escravizam” a célula hospedeira, induzindo-a a produzir muitas cópias deles. Os vírus multiplicam-se extremamente rápido – em apenas 20 a 30 minutos nas bactérias e em poucas horas nos mamíferos, incluindo os humanos. Eles se espalham movendo-se de um hospedeiro para outro. Por exemplo, alguns vírus transitam entre humanos por meio de espirros ou quando alguém toca uma superfície que uma pessoa infectada já tocou. Podemos nos defender de alguns vírus por intermédio da vacinação (os vírus que infectam apenas humanos são mais fáceis de controlar). 

Como você deve saber, o DNA é a molécula que carrega a informação genética nos sistemas vivos. O DNA tem um parente chamado RNA, que serve como uma cópia móvel das informações do DNA e permite a produção de proteínas. Todos os organismos do reino animal têm DNA como seu material genético. Os vírus são únicos porque alguns deles, chamados de vírus de RNA, usam o RNA como material genético (acredita-se que os vírus sejam remanescentes de um mundo anterior, no qual o RNA era usado como informação genética).

Os vírus de DNA e RNA têm várias maneiras de usar seu material genético para produzir um tipo específico de RNA chamado RNA mensageiro (RNAm)[1], que é usado para produzir proteínas. Criei um sistema de classificação de vírus chamado Classificação Baltimore, que enumera os vírus com base no modo como produzem o RNAm. Dentro dessa classificação, há dois tipos de vírus de DNA que usam somente o DNA para produzir o RNAm (grupos I, II), três tipos de vírus de RNA que usam só o RNA para produzir o RNAm (grupos III, IV, V) e dois grupos de vírus que usam tanto o DNA quanto o RNA para produzir o RNAm (grupos VI, VII) [1,2]. 

O estudo dos vírus de RNA

Quando comecei minha carreira científica na década de 1960, queria trabalhar com a química fundamental da vida. Pareceu-me que os vírus ofereciam a melhor oportunidade para fazer isso porque são os organismos mais simples do mundo. Poderíamos estudar os vírus e compreender seu funcionamento em detalhe – descendo até o nível molecular. 

Na década de 1960, sabíamos muito pouco sobre como os vírus de RNA se replicam. No início, trabalhei com um vírus de RNA, semelhante ao da poliomielite, que cresce em camundongos (grupo IV de acordo com a Classificação Baltimore, bastante semelhante ao SARS-CoV-2), tentando entender como esse vírus se multiplica e como afeta a vida de seus hospedeiros. Decifrei o mecanismo de replicação desse vírus semelhante ao da poliomielite e depois estendi as descobertas a outros vírus de RNA. Nesse processo, descobri várias proteínas importantes chamadas enzimas, que formam o DNA e o RNA [3,4]. 

Por volta de 1970, fiquei interessado em saber se existiam outras formas ainda não descobertas de replicação do vírus de RNA. Estava particularmente interessado nos vírus de RNA que causam câncer, chamados vírus tumorais de RNA. Quando, comecei a estudar esses vírus, não tinha ideia de que uma grande surpresa me aguardava. 

Transcrição reversa

Na década de 1960, um colega meu chamado Howard Temin sugeriu que os vírus tumorais de RNA poderiam transcrever seu RNA na forma de DNA. Ninguém tinha provas claras de que isso fosse verdade e muitas pessoas se mostravam céticas, uma vez que a crença predominante (chamada de “dogma central”) era que o RNA era feito a partir do DNA (num processo chamado de transcrição) e não o contrário (Figura 2). No entanto, não era absolutamente impossível que o RNA fosse transcrito no DNA, pois o RNA e o DNA são moléculas muito parecidas, reproduzidas graças a mecanismos semelhantes.

Em 1970, decidi verificar a hipótese de que o RNA pudesse ser transcrito “de volta” para o DNA. Para fazer isso, abri vírus tumorais de RNA e adicionei-lhes precursores de DNA radioativos (Janela 1): ou seja, blocos de construção que nos permitem detectar a presença de qualquer DNA produzido em uma amostra, porquanto o DNA se torna radioativo. Depois de vários dias de experimentos, consegui provar que a amostra dos vírus tumorais de RNA podia produzir DNA [4]. 

Box 1 – O DNA encontrado em vírus tumorais de RNA 
O processo pelo qual usei precursores radioativos para descobrir o DNA foi o seguinte: adquiri nucleotídeos prontos (os blocos de construção do DNA– A, T, G e C), marcados com hidrogênio radioativo. Coloquei o vírus e os nucleotídeos marcados em um tubo de ensaio e usei um detergente para quebrar a membrana gordurosa que cobre o vírus. Os nucleotídeos marcados entraram em contato com o RNA do vírus e com a enzima transcriptasereversa que transcreve RNA em DNA. Adicionei um pouco de magnésio, necessário para a enzima, e coloquei tudo em um banho a 37° C. A enzima construiu DNA radioativo a partir dos nucleotídeos marcados. Usei um filtro para separar as longas moléculas de DNA dos restos dos nucleotídeos marcados e, utilizando um detector de radiação, descobri que as moléculas de DNA eram radioativas!
Para provar que a molécula era de fato DNA, usei uma enzima chamada DNase, que quebra o DNA. Quando adicionei DNase aos produtos da reação e filtrei-os novamente, não obtive nenhum sinal radioativo. Isso provou que o material que medi na reação original era definitivamente DNA. 

Minhas descobertas significaram que os vírus tumorais de RNA poderiam produzir DNA a partir de seus genomas de RNA, pois não havia outra fonte possível de DNA no experimento. Também mostrei que, se eliminarmos o RNA das amostras, nenhum DNA será encontrado nelas. Essa foi a grande descoberta do que hoje é chamado de transcriçãoreversa – uma descoberta pela qual ganhei, juntamente com Renato Dulbecco e Howard Temin, o prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1975 – apenas cinco anos após meus experimentos. 

Uma nova enzima que converte RNA em DNA

Quando descobri a transcrição reversa, sabia-se que o RNA e o DNA são transcritos por enzimas. Assim, eu sabia que havia uma enzima nas partículas de vírus. Naquele tempo, não conhecíamos qual enzima converte RNA em DNA nem compreendíamos o processo usado por essa enzima. Meus colegas e eu trabalhamos por mais dez anos para descobrir a enzima envolvida na transcrição reversa e para decifrar o mecanismo complexo pelo qual ela transcreve o RNA no DNA.

Para fazer isso, desenvolvemos um novo sistema, pelo qual poderíamos adicionar moléculas de RNA conhecidas e examinar o que acontecia. Esse sistema nos permitiu observar reações químicas que ninguém observara antes. Encontramos a enzima que transcreve RNA em DNA e a chamamos de transcriptase reversa [5]. Vários anos depois de termos encontrado essa enzima, cientistas de outros grupos de pesquisa descobriram sua estrutura utilizando um método de imagem chamado cristalografia de raios X. Eles constataram que a transcriptase reversa tem uma estrutura semelhante a uma mão com “dedos”, com um “polegar” móvel que pode se abrir e fechar, e uma área central chamado sítio ativo, onde o DNA é feito a partir do RNA (Figura 3). 

Novos tratamentos para infecções virais e câncer

Nossa descoberta da transcrição reversa e da transcriptase reversa teve implicações importantes – tanto para nossa compreensão dos processos moleculares básicos nas células quanto para o tratamento de doenças. Primeiro, ela abriu caminho para a compreensão de um tipo de vírus chamado retrovírus. Os retrovírus são vírus de RNA que usam transcrição reversa para criar DNA viral a partir de RNA viral. Esse DNA viral é, então, integrado à (inserido na) célula de DNA do hospedeiro (usando outra enzima viral chamada integrase), tornando-se parte do material genético da célula do hospedeiro (Figura 4). Depois que o DNA viral é integrado ao DNA do hospedeiro, este passa a produzir proteínas virais que se unem para formar novas partículas de vírus. 

O HIV, causador da AIDS, é um retrovírus muito problemático e bem conhecido. O HIV foi detectado em 1983, cerca de dois anos após a AIDS tornar-se uma pandemia global. A detecção se baseou em sua transcriptase reversa e medicamentos foram desenvolvidos para tratar a AIDS. Se não tivéssemos descoberto a transcriptase reversa em 1970, cerca de dez anos antes do surgimento da AIDS, provavelmente não seria possível encontrar o vírus e teríamos passado muito tempo tentando compreender por que a AIDS ocorre. A descoberta relativamente rápida do HIV salvou e melhorou a vida de muitas pessoas que teriam tido menos sorte se a AIDS houvesse surgido antes da descoberta da transcrição reversa. 

Nossa descoberta também desempenhou um papel-chave no tratamento do câncer. Antes dela, a forma pela qual os vírus de RNA causavam câncer era um enigma. No câncer, as células deixam de crescer de forma controlada e passam a se multiplicar desordenadamente, às vezes em grandes massas chamadas tumores, nos tecidos do corpo ou em células de crescimento rápido no sangue, como no caso da leucemia. Como o RNA é geralmente uma molécula instável, não fazia sentido que pudesse causar uma mudança permanente no comportamento da célula.

O DNA, no entanto, é uma molécula muito estável e descobriu-se que os vírus tumorais de RNA operam a transcrição reversa, de RNA para DNA, se transformando basicamente em genes das células que infectam. Os vírus, então, levam novos genes para dentro da célula e esses genes formam proteínas. As proteínas virais podem substituir os genes do hospedeiro e forçar a célula a crescer e dividir-se continuamente, tornando a célula infectada uma célula cancerosa. 

A conexão entre câncer e genes, que descobrimos estudando os vírus tumorais de RNA, acabou se revelando um processo muito importante no desenvolvimento do câncer. Nossa descoberta mostrou o que pode estar errado nas células cancerígenas e tornou-se verdadeira para vários tipos de câncer, não apenas os causados por vírus. Nossa ideia de que o câncer poderia ser um problema genético expandiu o campo da investigação sobre a doença e desencadeou a descoberta de medicamentos que salvam vidas, incluindo uma “droga milagrosa” chamada Gleevec, capaz de bloquear certas proteínas que sinalizam o crescimento das células. O desenvolvimento dessas drogas se baseou na compreensão de que um gene específico causa um tipo específico de câncer. Quando inibimos a atividade de uma proteína específica, produzida a partir desse gene, podemos inibir o câncer. 

Usos na biotecnologia e terapia genética

Nossa descoberta também ajudou no desenvolvimento da biotecnologia, ciência que se encarrega também de criar proteínas para várias aplicações, incluindo medicamentos. Uma das primeiras coisas que perguntamos após descobrir a transcriptase reversa foi: ela pode transcrever qualquer RNA ou só o RNA viral?

Descobriu-se que a transcrição reversa pode transformar qualquer RNA em DNA se lhe dermos, como “iniciador”, um pedacinho de DNA em complementação ao RNA cuja transcrição queremos obter. Portanto, isso significa que podemos transformar qualquer RNAm – o modelo para produzir uma proteína – em DNA, tornando-o efetivamente um gene. Uma vez estando o RNAm na forma de um gene, podemos colocar esse gene dentro das células (como as bacterianas), obtendo assim grandes quantidades de RNAm e depois proteínas originárias desse gene. Essa capacidade de transformar qualquer RNAm em DNA e depois obter muitas cópias de uma determinada proteína foi revolucionária para a indústria da biotecnologia e levou ao desenvolvimento de muitos medicamentos novos. 

Os retrovírus são comumente usados na terapia genética, como uma ferramenta para curar doenças hereditárias [7]. Um exemplo muito bem sucedido de terapia genética retroviral é o tratamento da doençadobebêdabolha, oficialmente chamada de imunodeficiência combinada severa (IDCS). O sistema imunológico não funciona nesses bebês, de modo que qualquer infecção é letal para eles. No passado, tinham que viver em bolhas plásticas que os separavam do ambiente externo, para não ficar doentes. Hoje em dia, novas terapias genéticas retrovirais que substituem os genes danificados dos bebês por genes funcionais podem restaurar seus sistemas imunológicos e permitir-lhes viver uma vida normal. 

A princípio, eu não estava interessado em estudar doenças e tentar curar pessoas. Estava interessado apenas na ciência básica. Curioso com relação aos vírus, desejava compreendê-los e saber como afetavam seus hospedeiros. Mas, com o desenrolar dos fatos,  o novo conhecimento que ajudei a descobrir teve, e ainda tem, grandes implicações para a biotecnologia e para certas áreas da medicina. Esse é um dos temas recorrentes na ciência: aplicações que melhoram e até salvam vidas muitas vezes surgem de novos conhecimentos científicos. 

Recomendações para as Mentes Jovens

Quando trabalho com alunos, incentivo-os a ser tão independentes quanto possível – a pensar de forma independente sobre problemas e soluções, e a trabalhar nesses problemas em laboratórios que os apoiem na busca de independência. É, com frequência, difícil para jovens estudantes trabalharem de forma independente, mas devem fazer isso porque a ciência se baseia no trabalho e no conhecimento de cada cientista. Hoje em dia, enfatizamos a cooperação e o trabalho em equipe, o que é muito importante. Mas, ultimamente, a imaginação, o conhecimento e o esforço infatigável de cada cientista é que levam a descobertas como a transcrição reversa e tantas outras que são feitas todos os dias. Por isso, incentivo vocês a escolherem uma carreira que lhes dê independência o mais cedo possível, permitindo-lhes encontrar seu próprio caminho na ciência (Figura 5).

Isso significa que não devem apenas imitar a maneira como seus supervisores e consultores encaram a ciência, mas encontrar seu próprio jeito de fazer as coisas. Para conduzir um estudo bem-sucedido, vocês precisam de uma compreensão profunda do tópico que estão pesquisando, como uma doença ou um determinado organismo. Quando se iniciam na biologia, onde as coisas são complicadas e exigem muitas habilidades diferentes, necessitam de um conhecimento sólido e da concentração em apenas um ou dois problemas definidos, pois isso permite que aprofundem seus conhecimentos. Mais tarde na carreira, poderão optar por ter uma visão mais ampla do que está acontecendo em outros campos da biologia e em outras áreas da ciência; mas, nas etapas iniciais da carreira, o foco e o aprofundamento são muito importantes. 

Meu maior prazer como cientista vem da descoberta de coisas novas enquanto tento resolver problemas biológicos. Não conheço vida mais gratificante e encorajo os jovens a seguirem nessa direção, caso suas mentes funcionem assim. Muitas pessoas não desejam gastar seu tempo resolvendo problemas. Tudo bem: o mais importante é descobrir o que dá prazer e depois dedicar-se a essa tarefa em tempo integral. Não é fácil ser cientista nem fazer qualquer outra coisa com total empenho e enorme profundidade. Mas, uma vez atingida essa profundidade, vocês recebem recompensas que nunca conseguiriam de outra maneira. 

Glossário

Vírus: Partícula minúscula que infecta células vivas usando a maquinaria destas células para fazer mais vírus. Os vírus podem infectar todas as formas de vida. 

RNA mensageiro (RNAm): Tipo de RNA que carrega instruções para formar proteínas e se movimentar do núcleo para a fábrica de proteínas da célula (ribossomo). 

Enzimas: Proteínas que controlam a velocidade das reações químicas nas células vivas. 

Vírus tumorais RNA: Vírus de RNA que causam tumores integrando seu genoma ao genoma hospedeiro. 

Transcriptase reversa: Enzima que desempenha a transcrição reversa. 

Transcrição reversa: Processo pelo qual o DNA é copiado do RNA – o “contrário” da transcrição normal, em que o RNA é copiado do DNA. 

Retrovírus: Vírus que formam o DNA copiando seu genoma RNA usando a transcrição reversa. 

Biotecnologia: Campo industrial que usa processos biológicos para desenvolver produtos. 

Agradecimentos

Desejo agradecer a Noa Segev por conduzir a entrevista que serviu de base para este artigo e por sua coautoria. E a Zehava Cohen por fornecer as figuras. 

Conflito de interesses

O autor declara que a pesquisa foi feita sem nenhuma relação financeira ou comercial capaz de gerar um conflito de interesses. 

Referências

[1] Baltimore, D. 1971. “Expression of animal virus genomes.” Bacteriol. Rev. 35:235–41.

[2] Koonin, E. V., Krupovic, M. e Agol, V. I. 2021. “The Baltimore classification of viruses 50 years later: how does it stand in the light of virus evolution?” Microbiol. Mol. Biol. Rev. 85:e00053-21. DOI: 10.1128/MMBR.00053-21.

[3] Baltimore, D. e Franklin, R. M. 1962. “The effect of Mengovirus infection on the activity of the DNA-dependent RNA polymerase of L-cells.” Proc. Natl. Acad. Sci. 48:1383–90. 

[4] Baltimore, D. 1970. “Viral RNA-dependent DNA polymerase: RNA-dependent DNA polymerase in virions of RNA tumour viroses.” Nature 226:1209–11.

[5] Coffin, J. M. e Fan, H. 2016. “The discovery of reverse transcriptase”. Annu. Rev. Virol. 3:29–51. DOI: 10.1146/annurev-virology-110615-035556.

[6] Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. e Walter, P. 2002. Site-Specific Recombination. In Molecular Biology of the Cell, 4ª ed., Nova York, NY: Garland Science.

[7] Anson, D. S. 2004. “The use of retroviral vectors for gene therapy – what are the risks? A review of retroviral pathogenesis and its relevance to retroviral vector-mediated gene delivery.” Genet. Vacc. Ther. 2:1–13. DOI: 10.1186/1479-0556-2-9.

Citação

Baltimore, D. (2023). “Turning RNA into DNA: the discovery that revolutionized biology and biotechnology.” Front Young Minds. 11:1080663. DOI: 10.3389/frym.2023.1080663. 

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