Por muitas décadas, biólogos, químicos e até matemáticos trabalharam no problema da origem da vida. E embora já existam hipóteses cientificamente fundamentadas e sustentadas de evolução química antes do aparecimento da primeira célula, o trabalho nessa direção continua. "Lenta.ru" fala sobre um novo estudo sobre o problema do mundo do RNA, cujos resultados foram publicados na revista Proceedings of National Academy of Sciences.
Cientistas da Portland State University, conduzindo experimentos com ribozimas, descobriram que a capacidade dessas moléculas de catalisar sua própria montagem depende de sua interação com outras moléculas semelhantes. O estudo corrobora indiretamente a hipótese do mundo do RNA, que afirma que a primeira molécula orgânica que se tornou a base das primeiras células foi o RNA. Essas moléculas de RNA foram capazes de se auto-sintetizar, competir entre si e participar da evolução pré-biótica, quando os compostos de maior sucesso se tornaram a base para complexos químicos mais complexos.
Muitas pessoas sabem que as células vivas têm seus próprios catalisadores especiais: enzimas, que são moléculas de proteínas complexamente dobradas que realizam reações vitais. No entanto, as enzimas podem ser não apenas proteínas, mas também cadeias de RNA. Lembre-se de que o RNA é um ácido nucléico, muito semelhante ao DNA, mas difere dele por conter o açúcar ribose (não a desoxirribose), e uma das bases nitrogenadas, a timina, é substituída por uracila. Segundo os cientistas, o RNA apareceu antes do DNA, porque é muito mais lábil (sua estrutura é mais suscetível a mudanças) e pode realizar reações catalíticas sem o auxílio de proteínas. As moléculas de RNA que são enzimas são chamadas de ribozimas. Normalmente, as ribozimas catalisam a clivagem de si mesmas ou de outras moléculas de RNA.
Uma das ribozimas mais bem estudadas é a Azo, uma enzima feita por cientistas a partir de íntrons autocortáveis do Grupo I encontrados no DNA da bactéria Azoarcus. Os íntrons são regiões de genes que não contêm informações sobre a sequência de uma proteína ou ácido nucléico e são excisados durante a maturação do RNA mensageiro (mRNA). Todos os íntrons do grupo I catalisam sua própria excisão da sequência de RNA. O intron ribozima Azo de interesse dos cientistas está localizado em um gene que codifica um RNA de transporte (tRNA) que carrega o aminoácido isoleucina. Dentro da célula, Azo, como outras ribozimas, realiza sua própria excisão de tRNA, mas em condições de laboratório ele foi capaz de aprender a realizar splicing reverso: a ribozima corta em um determinado lugar do substrato - uma molécula curta de RNA com uma sequência de nucleotídeos específica,pedaços dos quais permanecem presos ao Azo.
A estrutura da ribozima da bactéria Azoarcus. O fragmento IGS está marcado em vermelho
Imagem: Jessica AM Yeates et al. Departamento de Química, Portland State University
Azo tem cerca de 200 nucleotídeos de comprimento e pode se dividir em dois, três ou quatro fragmentos que se juntam espontaneamente a 42 graus Celsius na presença de uma solução de MgCl2. O processo de automontagem começa com a interação entre dois tripletos de nucleotídeos (tripletos) pertencentes a diferentes fragmentos de RNA. Quando ligações de hidrogênio são formadas entre os trigêmeos de acordo com o princípio da complementaridade, as partes da ribozima mudam sua estrutura espacial e se reúnem. Os cientistas se concentraram na reação de automontagem de dois fragmentos, que são provisoriamente chamados de WXY e Z, onde W, X, Y e Z representam regiões separadas da ribozima com aproximadamente 50 nucleotídeos de comprimento (Fig. 1). No site W, na extremidade frontal da molécula de RNA, um dos tripletos está localizado,que está envolvida no início da automontagem e é chamada de "sequência guia interna" (IGS). No final de WXY, há um tripleto de tag, que, interagindo com IGS, forma uma forte ligação covalente com o fragmento Z.
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Os pesquisadores criaram diferentes variantes (genótipos) de fragmentos WXY, alterando os nucleotídeos localizados no meio do IGS e tripletos tag (nucleotídeos M e N, respectivamente). Uma vez que as moléculas de RNA são geralmente formadas por apenas quatro tipos de nucleotídeos, existem 16 dessas variantes. Por exemplo, um dos genótipos pode ser 5'-GGG-WXY-CAU-3 'e o outro 5'-GCG-WXY-CUU-3'. Todas essas variantes de moléculas podem competir entre si, formando várias redes metabólicas, nas quais um recurso comum - a molécula Z - é necessário para restaurar uma ribozima inteira.
A reação entre diferentes fragmentos da ribozima Azo para formar uma molécula inteira
Imagem: Jessica AM Yeates et al. Departamento de Química, Portland State University.
Em seus experimentos, os cientistas primeiro testaram a capacidade de cada genótipo de se automontar separadamente. Quando M e N formam pares Watson-Crick (ou seja, de acordo com o princípio da complementaridade, A - U, C - G), a taxa de automontagem da ribozima se torna mais alta do que para outros tipos de pares. Os pesquisadores então simularam um ambiente de "pequeno lago" quente no qual várias moléculas prebióticas interagem umas com as outras para obter benefícios umas das outras e acelerar a auto-organização. Os bioquímicos rastrearam o comportamento de genótipos emparelhados, no total, os cientistas estudaram 120 pares, consistindo em duas variantes WXY diferentes. Eles mediram a taxa de cada reação que ocorreu entre as moléculas dos dois genótipos WXY e fragmentos Z dentro de tubos separados por 30 minutos.
Interação entre sequências de fragmentos de ribozimas diferentes usando ligações de hidrogênio
Imagem: Jessica AM Yeates et al. Departamento de Química, Portland State University
Combinando os resultados de ambas as etapas do experimento e tendo obtido as taxas de automontagem quando dois genótipos diferentes interagem, os pesquisadores montaram um experimento evolutivo. Pares de genótipos foram misturados em proporções iguais, fornecidos com fragmentos Z e reagiram entre si por cinco minutos. Durante este tempo, os cientistas colheram amostras de 10 por cento da solução em um novo tubo de ensaio, que continha mais WXY não reagido de cada genótipo e fragmentos Z. Os cientistas rastrearam as proporções de cada genótipo WXYZ durante oito dessas transferências. Isso tornou possível estimar o equivalente químico do sucesso evolutivo das ribozimas ao longo das gerações, o que foi observado como uma "explosão" - ou seja, um forte aumento na taxa de automontagem do RNA. Em um experimento evolutivo, os biólogos estudaram a interação de sete pares de ribozimas.
Com base em todos os experimentos de laboratório, os cientistas derivaram um modelo matemático de equações diferenciais que levam em consideração a taxa de automontagem de genótipos com ou sem a presença de outros genótipos. Esse modelo se tornou a base para uma nova teoria dos jogos evolutivos, que define vários comportamentos das moléculas de RNA. Em um caso, denominado "Dominância", um dos genótipos é sempre mais comum que o outro, enquanto sua taxa de automontagem sempre excede a velocidade do concorrente. No outro caso - "Cooperação" - ambos os genótipos que interagem entre si recebem benefícios da "cooperação", e a velocidade de sua automontagem excede aquela que teriam separadamente um do outro. O “Cenário egoísta” - exatamente o oposto de “Cooperação” - significa que cada ribozima individualmente obtém mais do que ao interagir com outra pessoa. E finalmenteem "Contra-dominância", o genótipo com uma baixa taxa de automontagem repentinamente começa a ocorrer com mais frequência do que seu concorrente.
Este estudo não visa provar diretamente a hipótese do mundo do RNA, mas representa outra peça no quebra-cabeça da compreensão científica da evolução pré-biótica. Foi demonstrado pela primeira vez que as propriedades enzimáticas de moléculas individuais podem ser melhoradas na presença de outras moléculas que diferem por apenas um ou dois nucleotídeos. Na solução gigantesca que eram os oceanos da Terra no alvorecer da vida, essas moléculas competiam entre si por substratos, cooperavam e intensificavam sua ação. Com base nisso, já pode ser assumido por que compostos orgânicos complexos buscaram se unir em sistemas que são protótipos das primeiras células.
Alexander Enikeev
