Como a vida conseguiu reunir miríades de peças? No mínimo, as primeiras formas de vida na Terra precisavam de uma maneira de armazenar e reproduzir informações. Só então eles podem fazer cópias de si mesmos e se espalhar pelo mundo. Talvez a química tenha desempenhado um papel muito mais importante na origem da vida do que se pensava anteriormente.
Uma das hipóteses mais influentes é que tudo começou com o RNA, uma molécula que pode registrar simultaneamente registros genéticos e desencadear reações químicas. A hipótese do "mundo do RNA" se manifesta de várias formas, mas segundo as mais tradicionais, a vida começou com a formação de uma molécula de RNA capaz de se reproduzir. Seus descendentes desenvolveram a capacidade de realizar muitas tarefas, como fazer novos compostos e armazenar energia. Com o tempo, uma vida difícil se seguiu.
No entanto, os cientistas descobriram que o RNA auto-replicante é surpreendentemente difícil de criar em laboratório. Eles tiveram sucesso, mas as moléculas candidatas feitas até agora só podem reproduzir RNA de uma certa sequência ou comprimento. Além disso, essas próprias moléculas de RNA são bastante complexas, o que levanta questões sobre como elas poderiam ter sido formadas pela vontade de um acidente químico.
Nick Hud, um químico do Instituto de Tecnologia da Geórgia, e seus colegas decidiram ir além da biologia e estudar o possível papel da química na origem da vida. Talvez, antes do surgimento da biologia, houvesse um estágio preliminar de proto-vida, no qual apenas processos químicos criavam um "bufê" de RNA e moléculas semelhantes a RNA. “Acho que algumas etapas levaram a um sistema auto-replicante e auto-sustentável”, diz Hud.
Nesse cenário, várias moléculas semelhantes a RNA poderiam ser formadas espontaneamente, ajudando o caldo químico a inventar simultaneamente muitos dos detalhes necessários para o desenvolvimento da vida. As formas de proto-vida experimentaram a engenharia molecular primitiva, desmontando-a peça por peça. Todo o sistema funcionou como um esmagamento gigante. Foi apenas quando esse sistema foi estabelecido que surgiu o RNA auto-replicante.
No centro da proposta de Hud está o meio químico de criar uma variedade tão rica de proto-vida. Simulações de computador mostram que certas condições químicas podem produzir uma coleção diversa de moléculas semelhantes a RNA. A equipe está testando essa ideia com moléculas reais no laboratório e espera apresentar os resultados em breve.
O grupo de Hud está abrindo caminho para vários pesquisadores que desafiam a hipótese tradicional do mundo do RNA e sua dependência da evolução biológica, em vez de química. No modelo tradicional, uma nova engenharia molecular foi criada usando catalisadores biológicos - enzimas - como é o caso das células modernas. Durante o estágio de proto-vida de Hud, miríades de RNA ou moléculas semelhantes ao RNA podiam ser formadas e alteradas usando meios puramente químicos. "A evolução química poderia ter ajudado a iniciar a vida sem enzimas", diz Hud.
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Hud e seus colegas decidiram ir mais longe e presumir que o ribossomo, a única peça de engenharia biológica presente em todas as coisas vivas hoje, veio inteiramente da química sozinho. Essa é uma forma incomum de ver as coisas, pois muitos acreditam que o ribossomo nasceu da biologia.
Se a equipe de Hud pode criar formas de proto-vida em condições que poderiam ter existido na Terra primitiva, pode-se presumir que a evolução química pode ter desempenhado um papel muito mais significativo na origem da vida do que os cientistas esperavam. "A evolução darwiniana pode ter sido precedida por uma forma mais simples de evolução", diz Niels Lehman, bioquímico da Universidade de Portland em Oregon.
Mundo pré-darwiniano
Quando a maioria pensa em evolução, vem à mente a evolução darwiniana, na qual os organismos competem entre si por recursos limitados e passam informações genéticas para seus descendentes. Cada geração passa por correções genéticas e os descendentes mais bem-sucedidos sobrevivem para transmitir seus genes. Este modo de evolução prevalece na vida moderna.
Karl Woese, o renomado biólogo que nos deu a moderna árvore da vida, acreditava que a era darwiniana foi precedida por um estágio inicial da vida, governado por forças evolutivas completamente diferentes. Woese acreditava que seria quase impossível para uma única célula obter tudo de que precisa para viver. Portanto, ele imaginou uma rica variedade de moléculas envolvidas na existência comunal. Em vez de competir entre si, as células primitivas compartilharam inovações moleculares. Esse caldo pré-darwiniano criou os ingredientes necessários para a vida complexa, abrindo caminho para o magnífico zoológico que vemos hoje na Terra.
O modelo de Hud leva a visão de tempo pré-darwiniana de Woese ainda mais para trás no tempo, fornecendo às células primitivas os meios químicos para criar diversidade molecular. Uma forma de proto-vida poderia conceber uma maneira de criar os blocos de que precisava para se criar, outra poderia encontrar uma maneira de obter energia. Este modelo difere da hipótese tradicional do mundo do RNA em sua dependência da evolução química e não biológica.
No mundo do RNA, as primeiras moléculas de RNA se reproduziam usando a enzima interna ribozima, que é composta de RNA. No mundo da proto-vida de Hud, essa tarefa era realizada exclusivamente por métodos químicos. A história começa com uma sopa química de moléculas semelhantes a RNA. A maioria era curta, já que cadeias curtas provavelmente se formariam espontaneamente, mas também poderia haver moléculas mais longas e complexas. O modelo de Hud descreve como moléculas mais longas podem ser reproduzidas sem o auxílio de uma enzima.
Hud acredita que, no mundo pré-biótico, o caldo de RNA primário passava por ciclos regulares de aquecimento e resfriamento e se tornava espesso e viscoso. O calor separou os pares de RNA ligados e a solução viscosa manteve as moléculas separadas por um tempo. Enquanto isso, pequenos segmentos de RNA, com apenas alguns caracteres de comprimento, são anexados a cada longa fita. Esses pequenos segmentos foram gradualmente costurados, formando uma nova fita de RNA correspondente à longa fita original. Então o ciclo recomeçou.
Vias químicas de replicação de RNA
Com o tempo, à medida que o caldo de uma variedade de moléculas semelhantes a RNA se expandiu e cresceu, algumas delas adquiriram funções simples, como o metabolismo. Da mesma forma, reações químicas puras poderiam produzir diversidade molecular para criar uma cornucópia pré-darwiniana de proto-vida de Woese.
O grupo de Hud conseguiu concluir as etapas iniciais do processo de reprodução em laboratório, embora ainda não tenham aprendido a colar segmentos curtos sem recorrer a ferramentas biológicas. Se eles puderem superar esse obstáculo, eles criarão uma forma universal de reproduzir o RNA.
No entanto, alguns cientistas duvidam que a reprodução quimicamente mediada seja boa o suficiente para reproduzir o mundo pré-darwiniano que Hud descreve. “Não sei se acredito nisso”, diz Paul Higgs, biofísico da Universidade McMaster em Hamilton, Ontário, que estuda as origens da vida. "Tudo tem que acontecer com rapidez e precisão suficiente para criar consistência." Ou seja, esse processo deve produzir novos RNAs mais rápido do que eles são destruídos e com precisão suficiente para criar cópias aproximadas de moléculas modelo.
As mudanças químicas por si só não são suficientes para gerar vida. O caldo de proto-vida ainda precisava de algum tipo de seleção que garantisse que as moléculas benéficas prosperassem e se multiplicassem. Em seu modelo, o grupo de Hada sugere que as protoenzimas mais simples poderiam ter surgido e se espalhado, o que começou a beneficiar seus criadores e a sociedade em geral. Por exemplo, uma molécula de RNA que produziu mais blocos de construção beneficiou a si mesma e a seus vizinhos, fornecendo-lhes matéria-prima adicional para reprodução. Simulações de computador feitas pelo grupo de Hud mostraram que esse tipo de molécula poderia criar raízes. Aquele que enriquece o caldo é muito útil.
Raízes ribossomais
Um possível vislumbre do mundo pré-darwiniano pode ser visto no ribossomo, uma peça antiga da maquinaria molecular subjacente ao nosso código genético. É uma enzima que traduz o RNA, que codifica a informação genética, em proteínas que realizam muitas reações químicas em nossas células.
O núcleo do ribossomo é composto de RNA. Isso torna o ribossomo único - a grande maioria das enzimas em nossas células é composta de proteínas. Tanto o núcleo ribossômico quanto o código genético são comuns a todos os seres vivos, o que indica sua existência bem no início da evolução da vida, possivelmente antes mesmo de o limiar darwiniano ser ultrapassado.
Hud e sua colega Lauren Williams, também da Georgia Tech, apontam que o ribossomo apóia sua teoria do mundo quimicamente definido. Em um artigo publicado no ano passado, eles fizeram uma declaração polêmica: o núcleo do ribossomo foi criado por meio da evolução química. E também sugeriram que apareceu antes mesmo do aparecimento da primeira molécula de RNA auto-replicante. O núcleo ribossomal pode ter sido uma experiência bem-sucedida na evolução química, dizem eles. E depois que se enraizou no caldo pré-darwiniano, cruzou o limiar darwiniano e se tornou uma parte importante de toda a vida.
O argumento deles se baseia na relativa simplicidade do núcleo ribossomal, formalmente conhecido como centro de peptidil transferase (PTC). O trabalho do PTC é reunir aminoácidos, os blocos de construção das proteínas. Ao contrário das enzimas tradicionais, que aceleram as reações químicas usando “truques químicos inteligentes”, ele funciona como um dessecante. Ele persuade dois aminoácidos a se ligarem simplesmente removendo a molécula de água. “É uma maneira tão ruim de estimular uma reação”, diz Lehman. "As enzimas protéicas geralmente dependem de estratégias químicas mais poderosas."
Lehman observa que a simplicidade provavelmente precedeu o poder nos primeiros estágios da vida. “Quando você pensa sobre a origem da vida, primeiro você precisa pensar sobre química simples; qualquer processo da química mais simples é provavelmente antigo, diz ele. "Acho que este é um argumento mais convincente do que o fato de que ela pertence a toda a vida."
Apesar das fortes evidências, ainda é difícil imaginar como o núcleo ribossomal poderia ter sido criado como resultado da evolução química. Uma enzima que faz mais por si mesma - como um replicador de RNA na hipótese do mundo do RNA - cria automaticamente um ciclo fechado, aumentando constantemente sua própria produtividade. Em contraste, o núcleo ribossomal não produz mais núcleos ribossomais. Ele produz cadeias aleatórias de aminoácidos. Não está claro como esse processo deve estimular a produção de mais ribossomos.
Hud e seus colegas especulam que o RNA e as proteínas se desenvolveram em conjunto, e quem descobriu como trabalhar juntos sobreviveu. Essa ideia carece da simplicidade do mundo do RNA, que postula a existência de uma única molécula capaz de codificar informações simultaneamente e catalisar reações químicas. Mas Hud acredita o contrário: é a complexidade que adiciona elegância ao surgimento da vida.
“Acho que sempre houve uma ênfase exagerada na simplicidade, que um polímero é melhor do que dois”, diz ele. “Pode ser mais fácil obter reações específicas se os dois polímeros funcionarem juntos. Pode ter sido mais fácil para os polímeros trabalharem juntos desde o início.”
Baseado em materiais da Revista Quanta
