Cientistas da Universidade de Cambridge receberam novas evidências a favor da hipótese do mundo do RNA. Descobriu-se que pequenas cadeias de aminoácidos, quando combinadas com RNA, melhoram suas propriedades catalíticas, permitindo que se tornem menos dependentes de íons tóxicos. E esta é uma condição necessária para a formação das primeiras células. "Lenta.ru" fala sobre o trabalho publicado na revista Nature.
De acordo com a hipótese do mundo do RNA, a vida surgiu de um sistema biológico simples no qual não havia moléculas de DNA e proteínas. Consistia em complexos de RNA capazes não apenas de armazenar informações genéticas, mas também de catalisar reações químicas (neste caso, eram chamadas de ribozimas). Em outras palavras, eles combinaram as funções do DNA e das enzimas. Então, a combinação de RNA com peptídeos e ácido desoxirribonucléico levou ao surgimento de organismos unicelulares. No entanto, surge a pergunta: qual foi o benefício da interação entre o mundo do RNA e as proteínas?
Acredita-se que as ribozimas, chamadas de RNA polimerases, tenham constituído a maior parte do mundo do RNA. Eles eram replicadores - objetos capazes de auto-replicação. Os recursos para isso eram os nucleotídeos do caldo primário. No início, as ribozimas tiveram dificuldade em se copiar porque suas habilidades catalíticas não foram desenvolvidas. Eles cometeram erros, que resultaram em ribozimas com mutações. Essas mudanças poderiam privar a RNA polimerase da capacidade de catalisar, porém, em alguns casos, essa qualidade, ao contrário, melhorou. Com o tempo, as ribozimas se reproduziram com mais rapidez e precisão, tornaram-se mais numerosas e venceram a competição por recursos.
Assim, as ribozimas eram os genomas primários, uma vez que armazenavam informações genéticas sobre sua própria sequência. Posteriormente, foram encapsulados em partículas formadas por membranas lipídicas, o que levou à formação da primeira protocélula. Os cientistas são capazes de sintetizar análogos da ribozima da RNA polimerase, que catalisam a síntese de outras ribozimas, ou mesmo copiar sequências curtas de ribonucleotídeos. No entanto, ainda não é possível obter um replicador de ribozima.
Ribossomo Thermus thermophilus
Imagem: Domínio Público / Wikimedia
Também existe outro problema. As ribozimas sintetizadas em laboratórios são ativas apenas em concentrações muito altas de íons de magnésio, que destroem as membranas lipídicas. Isso significa que existe uma incompatibilidade fundamental entre as RNA polimerases ribonucléicas e os processos de formação de protocélulas.
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A situação é salva pelo fato de que as moléculas de RNA não foram isoladas de muitos outros compostos químicos, como os peptídeos. As ribozimas podiam cooperar com as sequências de aminoácidos, o que afetava sua função. Isso também é apoiado pelo fato de que a atividade de ribozimas como spliceossomos (cortando íntrons de RNA mensageiro em maturação), ribossomos (participando da síntese de proteínas) e ribonuclease P (catalisando a degradação de RNA) depende de proteínas relacionadas. A pesquisa mostrou que certas proteínas que se ligam às ribozimas causam alterações em sua estrutura secundária e função. Assim, no caso das ribonucleases P, as proteínas podem reduzir a concentração de íons magnésio necessária à sua atividade. Com isso em mente, os cientistas decidiram descobrir se os peptídeos poderiam afetar a função das ribozimas da RNA polimerase de forma semelhante, reduzindo sua dependência do magnésio.
Para responder a essa pergunta, é necessário escolher não quaisquer proteínas, mas apenas aquelas que já interagiram com as ribozimas do mundo do RNA. Os cientistas se voltaram para a estrutura dos ribossomos, que são uma espécie de relíquia molecular. Os resultados da pesquisa indicam que os ribossomos em sua forma moderna já estavam presentes no LUCA - o ancestral comum de todas as formas de vida modernas.
A estrutura das subunidades ribossômicas de Thermus thermophilus
Imagem: Philipp Holliger / Cambridge
Na estrutura do ribossomo, formado por proteínas, ácidos ribonucléicos e íons, sua evolução é registrada. Assim, a base da grande subunidade ribossomal é enriquecida com íons de magnésio. Gradualmente, cresceu com módulos adicionais nos quais os íons foram substituídos por peptídeos. De acordo com os cientistas, a relação entre ribozimas e cadeias de aminoácidos reflete a história evolutiva do mundo do RNA e sua transição para o mundo do RNA-peptídeo. Por isso, foi analisado o efeito dos peptídeos dos ribossomos, considerados as mais antigas sequências de proteínas da Terra.
Os pesquisadores identificaram vários peptídeos de ambas as subunidades do ribossomo da bactéria Thermus thermophilus, que aumentaram a atividade da ribozima RNA polimerase Z, que replica as moléculas de RNA.
Imagem de microscopia de fluorescência de vesículas de membrana
Imagem: MRC Laboratory of Molecular Biology / Cambridge / United Kingdom
No entanto, o efeito mais significativo foi possuído pelo decapéptido de lisina homopolimérico (K10), uma sequência de aminoácidos de dez moléculas de lisina. Apoiou as funções da ribozima em baixas concentrações de íons de magnésio, formando um complexo peptídeo-ribozima. Os cientistas sugeriram que isso se deve à estabilização de intermediários no ciclo catalítico.
Para testar se esse peptídeo poderia promover a atividade das ribozimas dentro do compartimento da membrana, os pesquisadores realizaram um experimento. Obtiveram-se vesículas estáveis, constituídas por fosfolipídios e diacilgliceróis, dentro das quais o RNA foi encapsulado. A uma concentração de íons de magnésio de 10 milimoles (seguro para a membrana) e na presença de K10, foi observada a síntese de RNA catalisada por ribozima. Na ausência de magnésio, entretanto, a síntese não ocorreu.
Isso indica que os peptídeos realmente permitem que as ribozimas realizem atividade catalítica em baixas concentrações de íons tóxicos. Como resultado, a dependência das RNA polimerases em moléculas inorgânicas diminuiu, o que facilitou sua evolução e, em última instância, a evolução das células.
Alexander Enikeev
