- Parte um: como fazer uma célula -
- Parte dois: Uma divisão nas fileiras dos cientistas -
- Parte quatro: a energia dos prótons -
- Parte cinco: então como você cria uma célula? -
- Parte Seis: A Grande Unificação -
Portanto, após a década de 1960, os cientistas que tentavam entender a origem da vida se dividiram em três grupos. Alguns deles estavam convencidos de que a vida começou com a formação de versões primitivas de células biológicas. Outros acreditavam que o sistema metabólico era o primeiro passo fundamental, enquanto outros se concentravam na importância da genética e da replicação. Este último grupo começou a descobrir como seria o primeiro replicador, presumindo que fosse feito de RNA.
Já na década de 1960, os cientistas tinham motivos para acreditar que o RNA era a fonte de toda a vida.
Em particular, o RNA pode fazer algo que o DNA não pode. É uma molécula de fita simples, então, ao contrário do DNA rígido de fita dupla, pode se dobrar em várias formas diferentes.
Semelhante ao origami, o RNA dobrável era geralmente semelhante ao comportamento das proteínas. As proteínas também são principalmente cadeias longas - apenas de aminoácidos, não de nucleotídeos - e isso permite que criem estruturas complexas.
Esta é a chave para a capacidade mais surpreendente das proteínas. Alguns deles podem acelerar ou “catalisar” reações químicas. Essas proteínas são conhecidas como enzimas.
Muitas enzimas podem ser encontradas em seus intestinos, onde quebram moléculas complexas dos alimentos em tipos simples de açúcares que suas células podem usar. Seria impossível viver sem enzimas.
Leslie Orgel e Frances Crick estavam começando a suspeitar de algo. Se o RNA pode se dobrar como uma proteína, talvez possa formar enzimas? Se isso fosse verdade, o RNA poderia ser uma molécula viva original - e universal - armazenando informações, como o DNA faz agora, e catalisando reações, como fazem algumas proteínas.
Foi uma ótima ideia, mas em dez anos não obteve nenhuma prova.
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Thomas Cech, 2007
Thomas Cech nasceu e foi criado em Iowa. Quando criança, ele era fascinado por rochas e minerais. E já no ensino fundamental, ele olhou para a universidade local e bateu na porta de geólogos com um pedido para mostrar modelos de estruturas minerais.
No entanto, ele eventualmente se tornou um bioquímico e se concentrou no RNA.
No início dos anos 1980, Cech e colegas da Universidade do Colorado em Boulder estudaram o organismo unicelular Tetrahymena thermophila. Parte de sua maquinaria celular inclui fitas de RNA. Cech descobriu que um único segmento de RNA estava de alguma forma separado do resto, como se tivesse sido cortado com uma tesoura.
Quando os cientistas removeram todas as enzimas e outras moléculas que poderiam atuar como tesouras moleculares, o RNA continuou a ser secretado. Assim, eles descobriram a primeira enzima de RNA: um pequeno pedaço de RNA que pode se separar da longa fita da qual faz parte.
Cech publicou os resultados de seu trabalho em 1982. No ano seguinte, outro grupo de cientistas descobriu uma segunda enzima de RNA, "ribozima" (abreviação de "ácido ribonucleico" e "enzima", também conhecida como enzima). A descoberta de duas enzimas de RNA, uma após a outra, indicou que deve haver muitas mais. E então a ideia de começar a vida com RNA começou a parecer sólida.
No entanto, o nome dessa ideia foi dado por Walter Gilbert, da Harvard University em Cambridge, Massachusetts. Como um físico fascinado pela biologia molecular, Gilbert também se tornou um dos primeiros defensores do sequenciamento do genoma humano.
Em 1986, Gilbert escreveu na Nature que a vida começou no "mundo do RNA".
O primeiro estágio da evolução, argumentou Gilbert, consistia em "moléculas de RNA realizando a atividade catalítica necessária para se montar em um caldo de nucleotídeos". Ao copiar e colar diferentes pedaços de RNA juntos, as moléculas de RNA podem criar sequências ainda mais úteis. Finalmente, eles descobriram uma maneira de criar proteínas e enzimas protéicas que se mostraram tão úteis que suplantaram amplamente as versões de RNA e deram origem à vida que temos.
O RNA World é uma maneira elegante de reconstruir uma vida complexa do zero. Em vez de depender da formação simultânea de dezenas de moléculas biológicas de uma sopa primordial, uma molécula "um para todos" poderia fazer o trabalho.
Em 2000, a hipótese do mundo do RNA recebeu um pedaço colossal de evidências de apoio.
O ribossomo faz proteínas
Thomas Steitz passou 30 anos estudando a estrutura das moléculas nas células vivas. Na década de 1990, ele se dedicou à sua tarefa mais séria: descobrir a estrutura do ribossomo.
Existe um ribossomo em cada célula viva. Esta enorme molécula lê instruções no RNA e organiza os aminoácidos para formar proteínas. Os ribossomos em suas células construíram a maior parte de seu corpo.
O ribossomo era conhecido por conter RNA. Mas em 2000, a equipe de Steitz produziu uma imagem detalhada da estrutura do ribossomo, que mostrou que o RNA era o núcleo catalítico do ribossomo.
Isso foi importante porque o ribossomo é fundamentalmente importante para a vida e muito antigo ao mesmo tempo. O fato de que essa máquina essencial foi construída em RNA tornou a hipótese do mundo de RNA ainda mais plausível.
Os apoiadores do "mundo RNA" triunfaram e, em 2009, Steitz recebeu uma parte do Prêmio Nobel. Mas, desde então, os cientistas começaram a duvidar. Desde o início, a ideia de um "mundo de RNA" teve dois problemas. O RNA poderia realmente realizar todas as funções da vida sozinho? Poderia ter se formado na Terra primitiva?
Já se passaram 30 anos desde que Gilbert lançou as bases para o "mundo do RNA" e ainda não encontramos evidências sólidas de que o RNA pode fazer tudo que a teoria exige dele. É uma molécula pequena e hábil, mas pode não ser capaz de fazer tudo.
Uma coisa estava clara. Se a vida começou com uma molécula de RNA, o RNA tinha que ser capaz de fazer cópias de si mesmo: ele tinha que ser autorreplicante, autorreplicante.
Mas nenhum dos RNAs conhecidos pode se replicar. O DNA também. Eles precisam de um batalhão de enzimas e outras moléculas para criar uma cópia ou pedaço de RNA ou DNA.
Portanto, no final da década de 1980, vários cientistas iniciaram uma busca muito quixotesca. Eles decidiram criar um RNA auto-replicante por conta própria.
Jack Shostak
Jack Shostak, da Harvard School of Medicine, foi um dos primeiros a participar. Quando criança, ele era tão fascinado pela química que abriu um laboratório no porão de sua casa. Negligenciando sua própria segurança, uma vez ele até mesmo detonou uma explosão, após a qual um tubo de vidro foi preso no teto.
No início da década de 1980, Shostak ajudou a mostrar como os genes se protegem do processo de envelhecimento. Esse estudo um tanto precoce acabou lhe rendendo uma parte do Prêmio Nobel. No entanto, logo ele admirou as enzimas de RNA de Cech. “Achei esse trabalho incrível”, diz ele. "Em princípio, é inteiramente possível que o RNA catalise sua própria reprodução."
Em 1988, Cech descobriu uma enzima de RNA que pode construir uma molécula de RNA curta de 10 nucleotídeos de comprimento. Shostak decidiu aprimorar a descoberta produzindo novas enzimas de RNA em laboratório. Sua equipe criou um conjunto de sequências aleatórias e testou para ver se alguma delas tinha habilidades catalíticas. Em seguida, eles pegaram essas sequências, retrabalharam-nas e testaram-nas novamente.
Depois de 10 rodadas de tais ações, Shostak produziu uma enzima de RNA que acelerou a reação em sete milhões de vezes. Ele mostrou que as enzimas de RNA podem ser realmente poderosas. Mas sua enzima não conseguia se copiar, nem mesmo ligeiramente. Shostak estava em um beco sem saída.
Talvez a vida não tenha começado com RNA
O próximo grande passo foi dado em 2001 pelo ex-aluno da Shostak David Bartel do Massachusetts Institute of Technology em Cambridge. Bartel fez a enzima R18 RNA que poderia adicionar novos nucleotídeos à fita de RNA com base em um modelo existente. Em outras palavras, ele não estava adicionando nucleotídeos aleatórios: ele estava copiando a sequência corretamente.
Embora ainda não fosse um autorreplicador, mas já algo semelhante. R18 consistia em uma cadeia de 189 nucleotídeos e poderia adicionar com segurança 11 nucleotídeos à cadeia: 6% de seu próprio comprimento. Esperava-se que alguns ajustes permitissem que ele construísse uma cadeia de 189 nucleotídeos - assim como ele mesmo.
A melhor coisa foi feita por Philip Holliger em 2011 do Laboratório de Biologia Molecular em Cambridge. Sua equipe criou um R18 modificado chamado tC19Z que copiava sequências de até 95 nucleotídeos de comprimento. Isso é 48% de seu próprio comprimento: mais do que o R18, mas longe de 100%.
Uma abordagem alternativa foi proposta por Gerald Joyce e Tracy Lincoln do Scripps Institute em La Jolla, Califórnia. Em 2009, eles criaram uma enzima de RNA que se replica indiretamente. Sua enzima combina dois pequenos pedaços de RNA para criar uma segunda enzima. Em seguida, ele combina os outros dois pedaços de RNA para recriar a enzima original.
Dada a disponibilidade de matéria-prima, esse ciclo simples pode ser continuado indefinidamente. Mas as enzimas só funcionaram quando receberam os filamentos de RNA corretos, o que Joyce e Lincoln tiveram que fazer.
Para muitos cientistas que são céticos em relação ao "mundo do RNA", a falta de RNA autorreplicante é um problema fatal com essa hipótese. O RNA, aparentemente, simplesmente não pode pegar e iniciar a vida.
O problema também foi agravado pelo fracasso dos químicos em criar RNA do zero. Pareceria uma molécula simples comparada ao DNA, mas é extremamente difícil de fazer.
O problema está no açúcar e na base que compõe cada nucleotídeo. Você pode fazer cada uma delas separadamente, mas eles teimosamente se recusam a se envolver. No início da década de 1990, esse problema se tornou aparente. Muitos biólogos suspeitam que a hipótese do "mundo do RNA", apesar de toda a sua atratividade, pode não ser totalmente correta.
Em vez disso, pode ter havido algum outro tipo de molécula na Terra primitiva: algo mais simples do que o RNA, que poderia realmente se levantar da sopa primordial e começar a se replicar. Primeiro poderia haver essa molécula, que então levou ao RNA, DNA e assim por diante.
O DNA dificilmente poderia ter se formado na Terra primitiva
Em 1991, Peter Nielsen, da Universidade de Copenhagen, na Dinamarca, apresentou um candidato a replicadores primários.
Era essencialmente uma versão fortemente modificada do DNA. Nielsen manteve as mesmas bases - A, T, C e G - encontradas no DNA - mas fez a espinha dorsal de moléculas chamadas poliamidas, em vez de açúcares, que também são encontrados no DNA. Ele chamou a nova molécula de ácido nucléico de poliamida, ou PNA. De uma forma incompreensível, desde então se tornou conhecido como um ácido nucleico peptídico.
PNA nunca foi encontrado na natureza. Mas se comporta quase como DNA. A fita de PNA pode até mesmo tomar o lugar de uma das fitas da molécula de DNA, e as bases são pareadas como de costume. Além disso, o PNA pode se torcer em uma dupla hélice, como o DNA.
Stanley Miller ficou intrigado. Profundamente cético em relação ao mundo do RNA, ele suspeitou que o PNA era um candidato muito mais provável para o primeiro material genético.
Em 2000, ele produziu algumas evidências sólidas. A essa altura, já estava completando 70 anos e havia sofrido vários derrames que o poderiam mandar para uma casa de saúde, mas não desistiu. Ele repetiu seu experimento clássico, que discutimos no primeiro capítulo, desta vez usando metano, nitrogênio, amônia e água - e obteve um PNA à base de poliamida.
Isso sugeriu que o PNA, ao contrário do RNA, poderia muito bem ter se formado na Terra primitiva.
Três moléculas de ácido nucleico
Outros químicos criaram seus próprios ácidos nucléicos alternativos.
Em 2000, Albert Eschenmoser produziu três ácidos nucleicos (TNK). É o mesmo DNA, mas com um açúcar diferente na base. As cadeias TNC podem formar uma dupla hélice e a informação é copiada em ambas as direções entre o RNA e o TNK.
Além disso, os TNCs podem se dobrar em formas complexas e até mesmo se ligar a proteínas. Isso sugere que o TNK pode atuar como uma enzima, como o RNA.
Em 2005, Eric Megges fez um ácido nucléico glicólico que pode formar estruturas helicoidais.
Cada um desses ácidos nucleicos alternativos tem seus próprios proponentes. Mas nenhum traço deles pode ser encontrado na natureza, então se a primeira vida realmente os usou, em algum ponto ela teve que abandoná-los completamente em favor do RNA e do DNA. Isso pode ser verdade, mas não há evidências.
Como resultado, em meados dos anos 2000, os apoiadores do mundo do RNA se viram em um dilema.
Por um lado, as enzimas de RNA existiam e incluíam uma das partes mais importantes da engenharia biológica, o ribossomo. Boa.
Mas o RNA auto-replicante não foi encontrado e ninguém conseguia entender como o RNA foi formado na sopa primordial. Os ácidos nucléicos alternativos poderiam resolver o último problema, mas não há evidências de que existissem na natureza. Não muito bom.
A conclusão óbvia era que o "mundo do RNA", apesar de sua atratividade, acabou sendo um mito.
Enquanto isso, uma teoria diferente gradualmente ganhou impulso desde os anos 1980. Seus defensores argumentam que a vida não começou com RNA, DNA ou outro material genético. Em vez disso, começou com um mecanismo de aproveitamento de energia.
A vida precisa de energia para se manter viva
ILYA KHEL
- Parte um: como fazer uma célula -
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- Parte cinco: então como você cria uma célula? -
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