O excêntrico cientista por trás do teste de covid-19 utilizado como ‘padrão de referência’

O pretensioso bioquímico Kary Mullis inventou a PCR, ferramenta que redefiniu a ciência genética, enquanto dirigia seu carro no ano de 1983. E isso foi só o começo.

Publicado 26 de fev. de 2021 07:00 BRT
Kary Mullis em seu apartamento em La Jolla, Califórnia, em 10 de março de 1995. Ele ...

Kary Mullis em seu apartamento em La Jolla, Califórnia, em 10 de março de 1995. Ele ganhou o Prêmio Nobel de Química em 1993 pela invenção da tecnologia PCR.

Foto de Jim Wilson, The New York Times/Redux

O bioquímico Kary Mullis conta que estava viajando de carro da baía de São Francisco até seu chalé em Mendocino em 1983 quando, tão repentinamente quanto um raio que corta o céu da Califórnia, ele inventou uma maneira de localizar uma parte específica de DNA e sintetizar uma enorme quantidade de cópias.

“Essa técnica simples permitiria que eu reproduzisse quantas cópias eu quisesse de qualquer sequência de DNA que eu escolhesse, e qualquer pessoa da face da Terra que trabalhasse com DNA iria querer utilizá-la”, Mullis narra em seu livro de memórias intitulado Dancing Naked in the Mind Field (Dançando nu no campo da mente, em tradução livre), lançado em 1998. “A técnica seria difundida em todos os laboratórios do mundo. Eu ficaria famoso. Ganharia o Prêmio Nobel.”

Mullis realmente ganhou o Prêmio Nobel de Química em 1993 pela invenção da reação em cadeia da polimerase, ou PCR. Recentemente, essas três letras passaram a fazer parte da vida das pessoas porque a PCR é a base do teste padrão de referência mais comum para detecção do coronavírus SARS-CoV-2. Mas esse é apenas o mais recente uso revolucionário da PCR. Desde o seu surgimento, ela foi utilizada em tarefas tão diversas quanto decodificar o genoma humano e salvar recifes de corais.

“A PCR será utilizada em qualquer estudo relacionado ao DNA”, explica o pesquisador de genômica Eric Green, pioneiro na área. “É quase como perguntar: ‘Como se usa a eletricidade?’”

Mullis, que faleceu em agosto de 2019, narra em seu livro de memórias as origens da PCR como se fosse a história de um gênio imponente que, sem a ajuda de ninguém, inventa uma ferramenta que dá o pontapé inicial à uma nova era da biologia.  Mas, embora o momento “eureca!” de fato pertença a Mullis, há muito mais detalhes envolvidos na história verdadeira da PCR, incluindo os outros cientistas que ajudaram a evidenciá-la na biologia, apesar do temperamento difícil de Mullis.

Início de uma reação em cadeia

Antes da PCR, era difícil estudar o DNA. Muitas informações genéticas estão concentradas nas moléculas de DNA e era complexo isolar exatamente o pequeno fragmento necessário para estudo. Mesmo se um cientista conseguisse isolar a parte de seu interesse, a quantidade de material disponível era tão pequena que acabava sendo insuficiente para os experimentos.

Para contornar esse problema, a tecnologia mais sofisticada na década de 1980 era a clonagem de DNA. Nesse processo, cientistas implantavam a sequência genética que eles desejavam em genomas de bactérias, que então se dividiam, replicando elas mesmas e o código genético. É um processo eficiente, mas trabalhoso, por isso uma técnica mais simples e rápida seria muito bem-vinda.

Após aquele fatídico fim de semana no chalé, Mullis retornou ao trabalho na Cetus Corporation em Emeryville, na Califórnia. A Cetus foi uma das primeiras empresas de biotecnologia do mundo, cuja cultura na época assemelhava-se às startups de tecnologia do Vale do Silício atualmente. Diversas equipes da empresa experimentavam ferramentas novas e empolgantes para clonar genes e expressar proteínas que poderiam ser utilizadas para fins medicinais.

O principal trabalho de Mullis na Cetus era produzir pequenas tiras de material genético para outros cientistas da empresa utilizarem em seus experimentos. Mesmo que sua personalidade pretensiosa tenha gerado conflitos com seus colegas, incluindo um episódio de troca de socos, seu trabalho era muito útil para a Cetus.

Era “um grupo incomum de cientistas jovens que toleravam Kary”, conta Paul Rabinow, antropólogo da Universidade da Califórnia em Berkeley e autor do livro Making PCR: A Story of Biotechnology (Inventando a PCR: uma história da biotecnologia, em tradução livre).

De acordo com Rabinow, Mullis levou a ideia da PCR para seus colegas. O processo era simples e refinado: aquecer uma molécula de DNA para separar a hélice dupla em dois filamentos, e utilizar cada um deles como um modelo para criar uma cópia — da mesma forma que o DNA se desenrola e se replica dentro das nossas células. Em seguida, a amostra deve esfriar, em condições normais, isso faria com que os dois filamentos de DNA voltassem a se encaixar, mas é possível apropriar-se do processo utilizando diversas porções pequenas de DNA denominados iniciadores — justamente o tipo de fragmento genético em que Mullis estava trabalhando para outros projetos.

Facilmente sintetizados em laboratório, esses iniciadores são criados para encaixarem-se próximo da parte selecionada de DNA e impedir que os dois filamentos originais voltem a se juntar. As partes do filamento de DNA onde os iniciadores se anexam servem como “local de pouso” para uma enzima chamada DNA polimerase. Ela percorre o filamento exposto posicionando corretamente componentes de DNA conhecidos como nucleotídeos para reconstrução dos filamentos complementares.

Ao iniciar com apenas uma porção de DNA, tem-se duas cópias da sequência após um ciclo de PCR. Cada cópia pode ser desdobrada novamente para produzir mais modelos. Após apenas 30 ciclos é possível ter mais de um bilhão de cópias — todas de uma mesma molécula de DNA.

Mullis era conhecido por suas ideias excêntricas, muitas das quais, de acordo com seus colegas, tinham erros básicos de biologia. Então, a reação das pessoas no início foi não ligar para a ideia ou achar que não daria certo. Mas Mullis continuou explorando, e no ano seguinte conseguiu apresentar dados experimentais que pareciam indicar que a reação em cadeia estava funcionando. A constatação chamou a atenção de vários colegas da Cetus, em especial do bioquímico Thomas White.

“Eu achava que não era nada sério, mas que talvez ele realmente estivesse certo”, conta White. “E se ele estiver certo, isso vai mudar completamente o que estamos tentando fazer aqui.”

Fazendo a PCR funcionar

White tinha uma certa afinidade com Mullis desde que os dois tornaram-se amigos próximos durante os estudos na Universidade da Califórnia em Berkeley. Mullis ajudou White a reconstruir o motor do carro dele, e ordenou White como pastor da igreja Universal Life. White devolveu o favor sendo o celebrante do segundo casamento de Mullis. White tinha recrutado Mullis para trabalhar na Cetus e acabou sendo chefe dele, ajudando a dispersar as tensões quando o ego de Mullis começava a irritar os colegas de trabalho. 

White pediu a Mullis que focasse exclusivamente em fazer a PCR funcionar. No fim de 1984, White e outros líderes da empresa ainda não acreditavam que ele possuía evidências suficientes, então a empresa continuou agregando cientistas experimentais em paralelo aos esforços de Mullis. O trabalho habilidoso de diversos colegas — especificamente Stephen Scharf, Fred Faloona e Randal Saiki — finalmente produziram dados suficientes para declarar o sucesso da PCR.

Com a demonstração da prova de conceito, a prioridade máxima era conseguir uma publicação e, por fim, a patente. Porém, Mullis ficou adiando a escrita do artigo. As pessoas duvidavam dele, relembra White, e sua vingança foi atrasar a produção do artigo. Frustrado com a espera, em 1985, Saiki foi coautor de um artigo na revista científica Science sobre um teste para anemia falciforme que incluía a primeira descrição da PCR feita publicamente. No entanto, o artigo apenas fez alusão ao seu potencial como uma técnica independente.

White implorou a Mullis que finalizasse o artigo explicando detalhes sobre a PCR, o que ele finalmente fez e submeteu à revista científica Nature. Ele foi rejeitado. A revista Science também o passou adiante. Ele acabou sendo publicado em 1987 no periódico Methods in Enzymology.

À essa altura, Mullis já havia saído da Cetus, ofendido com o fato de não ter sido autor principal do artigo mais prestigiado publicado na revista Science. Após sair da Cetus, a empresa pagou a Mullis alguns meses de salário e um bônus de US$ 10.000, o maior da história da empresa já pago a um cientista por sua invenção. Cetus deteve os direitos da tecnologia, e a partir desse ponto a contribuição de Mullis para o desenvolvimento da PCR foi, em sua maior parte, popularizar a tecnologia — ele mesmo — em eventos de palestras e consultorias.

Durante sua vida, Mullis também negou que o vírus HIV causava aids, questionou a influência humana nas mudanças climáticas, mostrou imagens de mulheres nuas em palestras e fez comentários sexistas a jornalistas. White ainda recorda sua criatividade inquestionável, astúcia e bom humor, mas lamenta o fato de o mito ter se apoderado do homem. “Mullis ignorou todos os seus antigos amigos e colegas, e simplesmente nos menosprezou”, ele conta. “O Prêmio Nobel subiu à cabeça”.

Revelando o potencial da PCR

Mesmo antes da saída de Mullis, outros membros da equipe da Cetus estavam trabalhando para deixar a PCR apta para uso em laboratório. Dois problemas atrapalharam o processo. Um dos problemas era o calor necessário para gerar o ciclo que estava degradando a parte mais importante, a DNA polimerase, fundamental para construir cada cópia de DNA.

Antes de deixar a empresa, Mullis propôs uma solução: utilizar a polimerase de micróbios encontrados nas nascentes de água fervente do Parque Nacional de Yellowstone. O raciocínio era que, se esses organismos conseguem viver e se multiplicar em altas temperaturas, o DNA polimerase deles deve conseguir tolerar esses extremos. Então David Gelfand, outro cientista da Cetus, foi até Wisconsin encontrar o biólogo Thomas Brock. No fim da década de 1960, Brock havia isolado uma espécie de bactéria fã de calor chamada Thermus aquaticus nas águas termais de Yellowstone. O DNA polimerase único da espécie acabou sendo exatamente o que era necessário.

Enquanto isso, Shirley Kwok, cientista da Cetus, estava utilizando a PCR para estudar o vírus HIV, mas estava aborrecida com o processo. Fazer o ciclo da amostra em níveis de temperatura diferentes e de forma manual era mentalmente monótono e, no caso dela, realizado em um ambiente com biocontenção, exigindo equipamento de proteção individual completo. Foi quando um técnico chamado Robert Watson adaptou um pequeno robô de pipetagem de uso interno para fazer o ciclo termal. Atualmente, os termocicladores automáticos criados com base nessa ideia são de uso padrão em laboratórios de genética no mundo inteiro.

No fim da década de 1980, a PCR já era amplamente conhecida na comunidade científica, e em 1991 a Cetus vendeu seus direitos para a Roche, que atualmente é uma gigante da área da saúde, por US$ 300 milhões. White acabou comandando a divisão da PCR na Roche e trabalhou com outros 100 cientistas da Cetus que levou com ele.

Desde então, o uso da PCR multiplicou-se exponencialmente, com inúmeras adaptações para aplicações diversas. Diagnósticos médicos, investigação forense, segurança alimentar, desenvolvimento de produções agrícolas e até mesmo a busca pela origem da humanidade — os limites de todos esses campos foram extrapolados com o potencial da PCR.

A reação em cadeia continua

O pesquisador de sequenciamento gênomico Eric Green estava terminando os estudos de doutorado em Medicina na Universidade Washington em St. Louis, no fim da década de 1980, quando ouviu falar sobre a tecnologia PCR. Alguns anos depois, ele descobriu como usar a PCR para mapear o genoma humano. Logo ele foi escolhido para fazer justamente isso, como parte do Projeto Genoma Humano, apoiado pelo governo.

“O Projeto Genoma Humano jamais teria sucesso sem a PCR”, relata Green, que agora é o líder do National Human Genome Research Institute (Instituto de Pesquisa Nacional do Genoma Humano).

E é claro, muitos dos testes de covid-19 conduzidos nos dias atuais utilizam a PCR para ampliar porções do código genético do vírus SARS-CoV-2 retirados de amostras de esfregaço, permitindo que a presença do vírus seja detectada.

O próximo passo seria simplificar o equipamento para que a PCR pudesse ser utilizada fora do laboratório. “O que essas máquinas fazem é aquecer e esfriar uma amostra”, esclarece o geneticista e autodeclarado faz-tudo Ezequiel Alvarez Saavedra. “Então eu cheguei à conclusão de que as pessoas não precisam pagar três [mil], cinco mil dólares ou até mais para fazer isso.”

Junto com o neurocientista Sebastian Kraves, Alvarez Saavedra fundou uma empresa chamada miniPCR bio para criar uma alternativa mais simples e barata. A inovação mais importante, Alvarez Saavedra explica, foi trocar o elemento de aquecimento, que eram semicondutores termoelétricos, por cabos de cobre, parecidos com as linhas que degelam o para-brisa de carros. Isso tornou a máquina mais simples e eficiente do ponto de vista energético. Agora é possível adquirir uma máquina de PCR acondicionada em um recipiente transparente do tamanho de uma caixa de lenços por menos de mil dólares.

Alvarez Saavedra conta que muitos dos clientes são educadores que querem demonstrar a beleza da biologia para seus alunos. PCR é “muito simples, depois que alguém explica”, ele diz. “Essa é a beleza disso tudo — é muito fácil de entender.”

Amy Apprill, ecologista de microbiologia marinha do Instituto Oceanográfico de Woods Hole, passa bastante tempo na Ilhas Virgens Americanas estudando a doença de perda de tecido de corais pedregosos, que deixa para trás esqueletos que parecem recifes de corais descoloridos. Essa doença devastadora foi identificada na costa de Miami em 2014 e desde então espalhou-se rapidamente pelo Caribe. A causa ainda não foi identificada, mas pode ser algum tipo de bactéria.

“Pelo fato de estarmos analisando bactérias, componente bastante pequeno em termos de biomassa, nós dependemos muito da PCR”, explica Apprill. PCR transforma a escassez em abundância, e a redução no tamanho da máquina permite que Apprill estude suas amostras microbiais em um apartamento alugado no AirBnB.

“Tornou-se portátil, e isso é o mais importante para nós”, conta Apprill. “É muito dispendioso levar o laboratório inteiro em um avião e levar para todos os projetos em campo.”

E em 2015, a miniPCR bio fez uma parceria com a Boeing para organizar uma competição que permitiria que alunos fizessem um experimento com DNA no espaço utilizando a máquina de PCR em miniatura. Anna-Sophia Boguraev, que na época estava cursando o Ensino Médio, enviou uma proposta e ganhou, organizando o primeiro experimento de PCR no espaço como prova de conceito para uma pesquisa futura.

“Desde então, ela já foi utilizada centenas de vezes”, conta Boguraev, que atualmente está no programa de doutorado em Medicina da Harvard/MIT. “A era da biologia molecular no espaço está começando a avançar.”

Hoje está claro que, apesar das relações controversas, Mullis e seus colegas fizeram uma enorme contribuição para a ciência — que ainda servirá de inspiração para muitas gerações de pesquisadores nas próximas décadas.

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