Origem da vida: Evolução darwiniana começou antes da própria vida?

Com informações da LMU - 05/03/2021

Experimentos mostram que unidades pré-vida podem se organizar a partir do caos.
[Imagem: LMU]

Como sair do caos para a vida

Antes do surgimento da vida na Terra, muitos processos físico-químicos em nosso planeta eram altamente caóticos. Uma infinidade de pequenos compostos e polímeros de comprimentos variados, compostos de subunidades (como as bases encontradas no DNA e no RNA), estavam presentes em todas as combinações concebíveis.

Antes que processos químicos semelhantes à vida pudessem surgir, o nível de caos nesses sistemas teve que ser reduzido de alguma forma.

Uma equipe de físicos da Universidade Ludwig-Maximilians de Munique, na Alemanha, acaba de demonstrar experimentalmente que características básicas de polímeros simples, juntamente com certos aspectos do ambiente pré-biótico, podem dar origem a processos de seleção que reduzem a desordem.

Desde publicações anteriores, o grupo de pesquisa vinha explorando como a ordem espacial poderia ter-se desenvolvido em câmaras estreitas e cheias de água em rochas vulcânicas porosas no fundo do mar. Esses estudos mostraram que, na presença de diferenças de temperatura e de um fenômeno convectivo, conhecido como efeito Soret, os filamentos de RNA poderiam ser acumulados localmente em várias ordens de magnitude de uma maneira dependente do comprimento.

"O problema é que as sequências de bases das moléculas mais longas que se obtém são totalmente caóticas," explica o professor Dieter Braun.

As ribozimas evoluídas (enzimas baseadas em RNA) têm uma sequência de bases muito específica, que permite que as moléculas se dobrem em formas particulares, enquanto a grande maioria dos oligômeros formados na Terra primitiva provavelmente tinham sequências aleatórias.

"O número total de possíveis sequências de base, conhecido como 'espaço de sequência', é incrivelmente grande," acrescenta Patrick Kudella, que liderou esta nova pesquisa. "Isso torna praticamente impossível montar as estruturas complexas características das ribozimas funcionais, ou moléculas comparáveis, por um processo puramente aleatório."

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[Imagem: Cronin Group]

Polimerização e ligadura

Isso levou a equipe a suspeitar que a extensão das moléculas para formar oligômeros maiores estaria sujeita a algum tipo de mecanismo de pré-seleção. Como na época da origem da vida havia apenas alguns poucos processos físicos e químicos muito simples, em comparação com os sofisticados mecanismos de replicação das células, a seleção de sequências deve ter-se baseado no ambiente e nas propriedades dos oligômeros.

Para garantir a função catalítica e a estabilidade dos oligômeros, é importante que eles formem fitas duplas, como a conhecida estrutura helicoidal do DNA. Esta é uma propriedade elementar de muitos polímeros e permite complexos químicos formados por partes com fita simples e parte com fitas duplas.

As partes de fita simples podem ser reconstruídas por dois processos. Primeiro, pela chamada polimerização, na qual as fitas são completadas por bases simples, para formar as fitas duplas completas. O outro é o que se conhece como ligadura, um processo no qual oligômeros mais longos são unidos. Aqui, ambas as partes de fita simples e dupla são formadas, o que permite um maior crescimento do oligômero.

"Nosso experimento começa com um grande número de fitas curtas de DNA, e em nosso sistema modelo para os primeiros oligômeros usamos apenas duas bases complementares, adenina e timina," conta Braun. "Assumimos que a ligadura de fitas com sequências aleatórias leva à formação de fitas mais longas, cujas sequências de bases são menos caóticas."

A equipe então analisou as misturas de sequências produzidas nesses experimentos usando um método que também é usado na análise do genoma humano. O teste confirmou que a entropia da sequência, isto é, o grau de desordem ou aleatoriedade nas sequências recuperadas, foi de fato reduzida nestes experimentos.

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[Imagem: Ferrante et al.]

Vida a partir do caos

Os pesquisadores também conseguiram identificar as causas dessa ordem "autogerada", um processo conhecido como auto-organização. Eles descobriram que a maioria das sequências obtidas caiu em duas classes - com composições de base de 70% de adenina e 30% de timina, ou vice-versa.

"Com uma proporção significativamente maior de uma das duas bases, a fita não se dobra sobre si mesma e permanece como um parceiro de reação para a ligadura," explicou Braun. Assim, dificilmente quaisquer fitas com metade de cada uma das duas bases seriam formadas na reação. "Também vimos como pequenas distorções na composição da sopa de DNAs curtos deixam padrões distintos dependentes da posição, especialmente nas longas fitas resultantes," acrescentou.

O resultado surpreendeu os pesquisadores porque uma fita de apenas duas bases diferentes, com uma relação específica entre bases, tem modos de se diferenciar muito limitados. "Apenas algoritmos especiais podem detectar detalhes tão surpreendentes," disse Annalena Salditt, coautora do estudo.

Em conclusão, os experimentos mostram que as características mais simples e fundamentais dos oligômeros e de seu ambiente podem fornecer a base para processos seletivos.

Mesmo em um sistema modelo simplificado, vários mecanismos de seleção podem entrar em ação, os quais têm um impacto no crescimento da fita em diferentes escalas de comprimento e são o resultado de diferentes combinações de fatores.

De acordo com Braun, esses mecanismos de seleção foram um pré-requisito para a formação de complexos cataliticamente ativos como as ribozimas e, portanto, desempenharam um papel importante no surgimento da vida a partir do caos.

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