A história da evolução testemunhou repetidamente o eterno debate sobre quem veio primeiro - o ovo ou a galinha - mas um dos mistérios mais interessantes soa assim: a vida existia antes do aparecimento dos ácidos nucléicos? E em um novo estudo, os cientistas forneceram evidências de que a bioquímica primitiva foi capaz de emergir e se desenvolver sem fosfatos - um dos componentes estruturais mais importantes e essenciais dos ácidos nucléicos que compõem nossa química genética - o que acrescenta peso às suposições de que mesmo antes do surgimento da vida o metabolismo já pode existir.
Cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts e da Universidade de Boston identificaram uma série de vias metabólicas alternativas que não requerem a participação de fosfatos. A descoberta tem o potencial de preencher as lacunas em nossa compreensão de como a química orgânica complexa deu origem à vida em nosso planeta.
O que costumávamos chamar de vida hoje é amplamente baseado em uma química de replicação não tão perfeita, que requer algum tipo de modelo que pode ser copiado, bem como alguma quantidade de energia que é suficiente para transformar fisicamente produtos químicos simples baseados em carbono em formas mais complexas. … E a questão aqui é quem veio primeiro: um código químico que poderia evoluir para uma forma mais complexa, ou caminhos mais complexos que poderiam usar energia para converter produtos químicos simples em compostos orgânicos mais complexos.
De acordo com a chamada hipótese do mundo do RNA, conjuntos flutuantes de moléculas de ácido ribonucléico (RNA), que serviam como armazenamento de informação genética e eram uma espécie de gabarito, contribuíram para a aceleração dos processos de reações químicas que agora podem ser caracterizados como o processo de emergência da vida. A questão nesse conceito é que as moléculas de RNA não seriam capazes de fazer isso sem a fonte de energia necessária para a sequência das reações químicas, que, por sua vez, poderiam ser consideradas como uma forma inicial de metabolismo (metabolismo). Além disso, as moléculas de RNA contêm fosfatos - substâncias que são fortemente entrelaçadas no meio ambiente e, portanto, difíceis de integrar em compostos orgânicos.
De acordo com outra hipótese, as primeiras formas de química metabólica, não ligadas por membranas celulares, eram inicialmente capazes de absorver energia do ambiente - na forma de calor ou luz - e transferi-la de uma reação química para outra dentro de uma sopa orgânica (uma espécie de caldo primário em que uma vida). Em última análise, esse metabolismo primitivo (metabolismo) combinou-se com as moléculas de RNA e permaneceu nesse estado até encontrar refúgio dentro das bexigas gordurosas individuais - moléculas que agora poderiam ser consideradas as primeiras células.
E ainda, o metabolismo energético em organismos modernos é baseado em compostos como trifosfato de adenosina (ATP) e fosfato de dinucleotídeo de adenina nicotinamida (NADP), isto é, novamente associado aos fosfatos.
As vias metabólicas alternativas que os cientistas identificaram no novo estudo são baseadas em moléculas baseadas em enxofre, uma substância que era abundante nos oceanos da Terra há vários bilhões de anos.
“A importância deste estudo reside no fato de que agora, como parte das novas tentativas de descobrir a origem da vida, será necessário levar em consideração a probabilidade de seu surgimento sem a participação dos fosfatos, que agora são considerados um de seus componentes mais importantes, mas que poderiam não ter sido quando do primeiro produto químico as reações que levaram ao seu aparecimento”, diz o pesquisador Daniel Serger, da Boston University.
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A ideia de que o enxofre pode ter desempenhado um papel central no processo metabólico está longe de ser nova. No início do século 20, o químico alemão Wachtershauser sugeriu que compostos de sulfeto de ferro e sulfeto de níquel poderiam atuar como um catalisador para a fixação de carbono em torno de fluxos vulcânicos oceânicos profundos e agir como um mecanismo de troca de energia entre o que ele chamou de "organismos primordiais". No entanto, a falta de evidências convincentes que unem a variedade de reações químicas envolvidas nesta "hipótese sulfeto-ferro" não permitiu confirmar essa suposição.
“O que sempre foi esquecido foi a falta de evidências convincentes baseadas nas evidências de que esses processos químicos iniciais poderiam representar uma rede metabólica primitiva relativamente complexa e conectada, e não apenas reações dispersas”, comenta Serje.
Serje e sua equipe aplicaram biologia de sistemas computacionais - uma abordagem teórica que usa modelos matemáticos para estudar uma variedade de vias bioquímicas - e identificaram um conjunto de oito compostos livres de fosfato que podem ter sido abundantes nos oceanos antigos do nosso planeta. Em seguida, eles aplicaram um algoritmo para simular uma troca de energia primitiva, envolvendo sulfetos de ferro, bem como compostos contendo sulfeto - tioéteres - e começaram a monitorar quais reações químicas diferentes podem ocorrer com eles.
Como resultado, descobriu-se que o resultado de uma rede principal de 315 reações envolvendo 260 metabólitos poderia ser a produção de uma variedade de compostos orgânicos complexos necessários para o surgimento da vida. A lista desses compostos também inclui aminoácidos e ácidos carboxílicos.
Uma vez que a química bioorgânica inicial não podia deixar evidências suficientes de sua existência na forma de sedimentos antigos, é necessário usar modelos matemáticos semelhantes que podem prever o que poderia ter acontecido muitos bilhões de anos atrás. E embora esses dados dificilmente possam ser usados como evidência do desenvolvimento da vida sem fosfato, eles podem se tornar uma das provas da possibilidade de que a vida tenha surgido de compostos químicos com os quais a maioria dos organismos modernos não depende. Além disso, o uso de tais dados pode ir muito além da discussão usual de como a vida em nosso planeta poderia ter se formado.
“Analisar o metabolismo em termos de nível de ecossistema, ou mesmo como fenômeno planetário, e não como característica individual de organismos específicos, pode ser de importância prática para nosso entendimento da comunidade microbiana”, diz Serje.
Os resultados da pesquisa de um grupo de cientistas do Massachusetts Institute of Technology e da Boston University foram publicados em uma das últimas edições da revista científica Cell.
NIKOLAY KHIZHNYAK
