The Embryo Project Encyclopedia

The one gene-one enzyme hypothesis, proposta por George Wells Beadle nos EUA em 1941, é a teoria de que cada gene produz directamente uma única enzima, que consequentemente afecta uma etapa individual de uma via metabólica. Em 1941, Beadle demonstrou que um gene numa mosca da fruta controlava uma única reacção química específica na mosca da fruta, que uma enzima controlava. Na década de 1950, a teoria de que os genes produzem enzimas que controlam uma única etapa metabólica foi apelidada de hipótese de um gene – uma enzima por Norman Horowitz, professor no Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) e associado do Beadle’s. Este conceito ajudou os investigadores a caracterizar os genes como moléculas químicas, e ajudou-os a identificar as funções dessas moléculas.

Os três cientistas envolvidos no desenvolvimento da teoria de um género – uma enzima foram Boris Ephrussi, Edward Lawrie Tatum, e Beadle, mas como Beadle participou em todas as experiências que levaram à construção da teoria, os outros concederam que Beadle desempenhou o papel mais significativo no seu início. Ephrussi trabalhou no Institut de Biologie Physico-chimique (Instituto de Biologia Físico-química) em Paris, França, e estudou os genes das moscas da fruta Drosophila melanogaster. Conheceu Beadle, que trabalhou no Caltech em Pasadena, Califórnia, depois de receber uma bolsa Rockefeller em 1930 que lhe permitiu pesquisar no local de 1934 a 1935. Na Caltech, Beadle e Ephrussi estudaram os factores genéticos da pigmentação ocular em Drosophila melanogaster.

Na Caltech, Beadle e Ephrussi fizeram experiências com moscas da fruta mutantes de 1934 a 1937. Numa tentativa de explicar a cor dos olhos das moscas através de componentes genéticos, Beadle e Ephrussi transferiram tecidos larvares que normalmente se tornariam olhos adultos de um embrião larvar para outro embrião e registaram os resultados. Utilizando vinte e seis mutantes que tinham cores oculares diferentes um do outro, Beadle e Ephrussi transplantaram tecido ocular de uma mosca de cada tipo de mutante para a região abdominal de uma mosca da fruta do tipo selvagem, ou normal. Em todos os casos, excepto em dois, os olhos transplantados em abdómens desenvolveram-se com a cor mutante dos olhos. Assim, as larvas tinham os olhos normais e o olho abdominal, vestigial, transplantado. Este resultado sugeriu que foram os genes larvares nas células dos tecidos transplantados, e não o ambiente dos tecidos larvares, que levaram à cor do olho mutante.

As duas excepções envolviam larvas de mosca que desenvolveriam vermelhão (v) e cinábrio (cn) cor do olho, cores que eram mutações longe da cor normal do olho castanho. Quando os tecidos destes mutantes foram transplantados para o tipo selvagem, o tecido ocular transplantado desenvolveu-se para a cor do olho do tipo selvagem, em vez da respectiva cor mutante. O Beadle e o Ephrussi inferiram destes resultados que alguma substância estava a difundir-se no tecido larvar mutante a partir do tecido hospedeiro circundante, o que levou ao desenvolvimento da cor normal do olho do tipo selvagem. Eles colocaram a hipótese de que os factores vermelhão do tipo selvagem e cinábrio eram genes codificados para enzimas necessárias à produção de substâncias capazes de causar o desenvolvimento do olho do tipo selvagem. Assim, embora a ideia de uma enzima do género um só tenha ganho popularidade depois das experiências de Beadle e Tatum em Neurospora, a teoria teve origem nos ensaios anteriores de Beadle e Ephrussi com Drosophila.

Depois de Ephrussi ter deixado a Caltech em 1935, Beadle trabalhou com Edward Tatum na Universidade de Stanford em Palo Alto, Califórnia, em 1937. Beadle e Tatum trabalharam para determinar como exactamente os genes regulavam as enzimas e controlavam as reacções bioquímicas. Antes desta época, poucos investigadores nos EUA procuraram as causas genéticas das reacções químicas, e o campo da bioquímica tinha-se desenvolvido em grande parte dentro de um contexto médico, enquanto que a genética se tinha desenvolvido dentro do contexto agrícola. Para elucidar o mecanismo de como os genes funcionavam e para explorar melhor as questões decorrentes das experiências de Drosophila, Beadle e Tatum concentraram-se no bolor vermelho do pão Neurospora crassa. Entre 1937 e 1945, os dois publicaram juntos uma série de artigos.

Beadle e Tatum criaram pela primeira vez mutantes Neurospora irradiando Neurospora com raios-x. Posteriormente, germinaram esporos sexuais em tubos de um meio completo, ou ambiente físico, que continham aminoácidos, vitaminas, e outras substâncias orgânicas. Transferiram então o Neurospora para tubos de um meio mínimo, que careciam de alguns dos nutrientes que o Neurospora precisava para sobreviver. O Beadle e o Tatum reexaminaram quaisquer mutantes do Neurospora que não conseguiram crescer no segundo, meio mínimo, para determinar se tinham ou não sido induzidos quaisquer novos requisitos de factores de crescimento. Em quase todos os casos em que um mutante era incapaz de sobreviver no meio mínimo, o Beadle e o Tatum remediaram a incapacidade de crescimento, adicionando um determinado químico – uma vitamina ou um aminoácido específico – ao meio. Os resultados sugeriram que estes químicos, que eram produtos de genes, eram necessários para que os genes codificassem uma enzima necessária numa via bioquímica. Em 1941 Beadle e Tatum publicaram os seus resultados em “Genetic control of biochemical reactions in Neurospora”, no qual Beadle propôs a hipótese de um gene – uma enzima.

A informação obtida das experiências sobre Neurospora confirmou o que Beadle tinha testemunhado em Drosophila quando trabalhou com Ephrussi. Confirmou que um gene especificou a acção de uma única via bioquímica, ou um passo num conjunto global de reacções, e isto foi feito através da produção de uma enzima específica. Beadle e Tatum receberam o Prémio Nobel em Fisiologia ou Medicina em 1958 pelo seu trabalho sobre o Neurospora e por demonstrarem que os genes regulavam os processos químicos.

A hipótese foi modificada após vários estudos, incluindo o de Vernon Ingram que trabalhou no Massachusetts Institute of Technology em Cambridge, Massachusetts. Em 1957, Ingram mostrou que alguns genes eram responsáveis por cadeias de polipéptidos únicas de uma proteína composta por múltiplas cadeias. Subsequentemente, a ideia foi apelidada de hipótese de polipéptido de um único gene – uma hipótese de polipéptido, após uma investigação mais aprofundada do fenómeno, levou os cientistas a concluir que os genes especificam efectivamente produtos proteicos.