As células se propagam fazendo cópias de si mesmas por meio da replicação do genoma. Discutivelmente, a replicação do DNA é o mecanismo mais fundamental e conservado de todas as formas de vida. Descobrir o segredo de como esse processo é alcançado com a maior precisão é a chave para entender o segredo da vida. Quando Watson e Crick propuseram pela primeira vez como o DNA é replicado com base na estrutura da dupla hélice do DNA, mais de meio século atrás, muitos acreditavam que a estrutura da máquina que separa as duas fitas de DNA para replicação estaria próxima. Contudo, a máquina de replicação acaba sendo muito mais complicada do que se imaginava devido ao seu grande tamanho, sua natureza tripartida (é composta por três motores) e flexibilidade. Informações estruturais para a máquina de replicação de DNA em resolução atômica por métodos convencionais não estavam disponíveis até muito recentemente, com o advento da revolução da resolução da tecnologia crio-EM.

Uma série de artigos publicados pela colaboração Tye (HKUST) / Gao (Universidade de Pequim) abre a porta para decifrar a função da máquina de replicação do DNA em resoluções sem precedentes. O primeiro, publicado em Natureza 2015, determinou a estrutura do motor central da máquina de replicação do DNA chamada de complexo MCM. O segundo relatou uma estrutura de anel aberto do complexo Cdt1-Mcm2-7 como um precursor do hexâmero duplo MCM. O terceiro agora aparece em Natureza , detalhando a estrutura atômica do Complexo de Reconhecimento de Origem (ORC) que seleciona locais de início em todo o genoma para iniciar a replicação do DNA.

Cada ser humano veio de uma única célula (óvulo fertilizado) após aproximadamente 1016 divisões celulares. Cada divisão celular requer a replicação exata do genoma, de modo que cada célula filha receba um complemento completo da informação genética idêntica na forma de DNA. A replicação aberrante do DNA que resulta em divisões celulares desreguladas é a causa de muitos cânceres e distúrbios do desenvolvimento. A replicação do genoma é igualmente importante na manutenção dos organismos vivos, pois todas as células têm "datas de validade" e a maioria é reabastecida por células-tronco que retêm a capacidade de se dividir.

O envelhecimento também é um fenômeno geral da quebra da máquina de replicação, tanto na síntese de reparo de DNA danificado quanto na fidelidade da replicação do genoma inteiro. Em um estudo liderado pelo Professor Bik Tye e Dr. Yuanliang Zhai da HKUST, com o professor Ning Gao na Universidade de Pequim, a estrutura da máquina chamada Complexo de Reconhecimento de Origem (ORC) que inicia a replicação do DNA foi determinada em resolução atômica pela primeira vez usando microscopia crioeletrônica. Esta estrutura explica como o ORC é capaz de escanear um mar de bases (o DNA é composto de 4 bases, UMA, T, G, C) para selecionar os locais corretos programados para o início da replicação do DNA. Acredita-se que a seleção indiscriminada de muitos locais pode levar a uma rápida replicação do genoma e, portanto, a rápidas divisões celulares, uma característica das células cancerosas. Em contraste, a seleção ineficiente de locais, resultando em divisões celulares lentas, especialmente em momentos críticos do desenvolvimento humano, pode levar a distúrbios de desenvolvimento.

Um caso em questão é a Síndrome de Meier-Gorlin (MGS), uma forma rara de nanismo hereditário que se caracteriza por crescimento atrofiado pré-natal e baixa estatura proporcional pós-natal. Interessantemente, mutações associadas ao MGS estão localizadas em cinco genes (ORC1, ORC4, ORC6, CDT1 e CDC6), todos os quais são componentes da máquina de iniciação da replicação do DNA. Os indivíduos afetados com mutações ORC1 e ORC4 parecem ter a baixa estatura mais grave. No estudo que aparece na edição atual da Nature, Tye / Gao mostrou que das seis subunidades que formam o complexo ORC da máquina de iniciação de replicação, ORC1 e ORC4 desempenham o papel determinante no mecanismo de seleção para locais de iniciação.

Fundamentalmente, a função mais importante do ORC é recrutar o complexo hexamérico duplo MCM, o núcleo catalítico da helicase de DNA que separa o DNA duplex, no DNA de origem. A estrutura atômica da ORC ligada ao DNA relatada nesta edição da Nature revela que a curvatura do DNA pela ORC fornece uma superfície de encaixe para a inserção do DNA no anel aberto da helicase MCM. Além disso, ele revela que o DNA de origem é selecionado por sua estrutura única, em vez da sequência de base específica. Essas novas descobertas ajudam a explicar como o ORC seleciona origens de replicação em locais únicos no genoma que não são previsíveis apenas por suas sequências de base.

A replicação do DNA é uma característica definidora de todos os organismos vivos e a máquina que realiza essa função é conservada de fungos a plantas e humanos. Compreender a estrutura atômica da máquina de replicação do DNA (ou de qualquer máquina biomolecular) é fundamentalmente importante porque toda a tecnologia e engenharia aplicada são fundadas na ciência / conhecimento básico. Por exemplo, uma visão tridimensional da máquina de replicação de DNA com resolução de 3Å pode nos ajudar a identificar alvos melhores para a terapia do câncer, de modo que produtos químicos sintéticos possam ser feitos sob medida para se adequar ao alvo. Mais importante, as estruturas nos ajudam a compreender completamente as funções mecanicistas das máquinas moleculares e, portanto, as raízes das doenças devido às funções subótimas dessas máquinas. Em direção a esse objetivo, a Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong estabelecerá uma instalação de microscopia crioeletrônica de última geração para o estudo de estruturas de alta resolução de máquinas biomoleculares.