Thursday September 27, 2012

Anonymous: Como surgiu o DNA na sopa primordial? A origem de uma estrutura tão complexa não seria um problema para os partidários da abiogênese?

Respondendo a sua primeira pergunta, o DNA não surgiu na ‘sopa primordial’* e a origem em si desta biomolécula não parece ser um problema tão grande assim para os estudos modernos sobre a origem da vida, por um motivo bem simples diretamente relacionado a resposta a esta sua primeira pergunta.

Atualmente existe um amplo consenso que o DNA (o ácido desoxirribonucleico) deve ter entrado em cena em período bem mais tardio deste processo, provavelmente, tendo sido precedido por algum outro tipo de polímero aperiódico orgânico, talvez vários mais simples e mais versáteis, ainda que não tão estáveis [1, 2, 3, 4, 5]. 

Existem basicamente dois cenários principais que são investigados pela comunidade científica como formas de explicar a origem da vida em nosso planeta e que recebem as denominações genéricas de ’replicadores primeiro’ e ’metabolismo primeiro’.

Entre as diversas propostas do primeiro tipo, ('replicadores primeiro’) existe a acordo amplo que os primeiros sistemas autorreplicantes e protocelulares teriam passado por uma fase prévia ao surgimento da replicação guiada pelo DNA (ácido desoxirribonucleico) em que tal função era exercida pelo RNA (ácido ribonucleico) que, além da função informacional/hereditária – i.e. com as sequências servindo como moldes para a replicação de outras moléculas de RNA e mesmo de proteínas e peptídeos –, também desempenha a função de agente catalizador, mantendo, assim, um papel duplo que mais tarde seria dividido com  as proteínas e as moléculas de DNA que tomariam a dianteira nos sistemas vivos modernos em boa parte das funções originalmente exercidas apenas pelo RNA.

Esta conclusão é baseada em pelo menos cinco linhas de evidências que indicam fortemente que, antes do DNA, os ácidos ribonucleicos devem ter servido de base aos genomas ou proto-genomas dos sistemas autorreplicantes mais antigos [1]:

1. Polímeros de RNA podem guiar a síntese de uma nova cadeia de RNA ou mesmo de DNA, por pareamento de bases Watson-Crick complementares que se estabelecem por pontes de hidrogênio entre bases púricas e pirimídicas, assim como ocorre no DNA.

2. A síntese de proteínas pode ocorrer na ausência de DNA, mas não na ausência de RNA;

3. Algumas moléculas de RNA modernas têm propriedades catalíticas, e hoje conhecemos vários exemplos destas sequências, como as chamadas ribozimas.

4. A ubiquidade de coenzimas nucleotídicas baseadas em purinas e piridinas, bem como outros cofactores semelhantes as base de ribonucleótidos em vias metabólicas, e

5. O fato da biossíntese de desoxirribonucleotídeos (os monômeros de DNA) sempre ocorre através da redução enzimática de ribonucleótidos.   

Portanto, fica claro que um 'mundo de RNA’ provavelmente precedeu o nosso atual mundo de “DNA/RNA/proteína” que, provavelmente, deve ter se estabelecido apenas quando certas pressões seletivas que levaram à biossíntese da desoxirribose, a partir da ribose (especialmente da timina) e a concomitante evolução de enzimas como as DNA polimerases com habilidades corretoras, passaram a existir. muito provavelmente por que o DNA (dentro de um contexto onde proteínas e RNA já existiam) era uma molécila bem mais estável.

Estas considerações, portanto, deixam claro que o problema é como os monômeros de RNA, os ribonucleotídeo - i. e., as moléculas formadas de uma das  quatro bases nitrogenadas (Adenina, Uracila, Guanina, Citosina), um grupo fosfato e uma pentose (um açúcar de cinco carbonos, no caso a ribose) que, ao se polimerizarem por ligações fosfodiester, dão origem as cadeias de RNA.

Esta é uma das questões mais discutidas entre os pesquisadores da área por que,  diferentemente de outras biomoléculas (como aminoácidos e seus polímeros, as proteínas, peptídeos e mesmo ácidos graxos que se formam espontaneamente em várias condições), os nucleotídeos e alguns dos seus precursores são mais complicados de serem sintetizados, especialmente em condições que os cienistas acreditam mimetizar as da terra primitiva, tornando este processo um grande desafio [“Insight into RNA origins”]. 

O químico Leslie Orgel, em um artigo de 2004 [3], define os quatro principais desafios que envolvem a hipótese do 'mundo do RNA’, na perspectiva do cenário dos ’replicantes primeiro’, como sendo: (1) a síntese não-ezimática de nucleotídeos, no caso, ribonucleotídeos; (2) a polimerização não-enzimática desses nucleotídeos em uma dada sequência aleatória; (3) a replicação/cópia não enzimática dessas sequências de polímeros de RNA; e por fim, (4) a emergência através de um processo de replicação diferencial de RNAs catalíticos que poderiam juntos sustentarem crescimento exponencial em um ambiente pré-biótico, isto é, seleção natural para a eficiência catalítica e de replicação. 

Aqui é importante destacar que, enquanto as três primeiras etapas estariam dentro da chamada área de estudos da química pré-biótica, portanto estando no contexto de um modelo de 'sopa primordial’*, a quarta já estaria em uma região de estudo na fronteira com a biologia evolutiva, uma vez que já estamos lidando com sistemas capazes de evoluir em sentido mais estrito, através de variação hereditária e replicação/reprodução diferencial. Este ponto será retomado mais adiante, pois esta não é a única divisão possível do problema em questão.

Um dos maiores problemas com estas etapas, particularmente com a primeira, é que a ribose é um açúcar difícil de ser formado de maneira seletiva, e o processo de adição de nucleobases à ribose é muito ineficaz, no caso do purinas, e simplesmente não ocorre no caso das pirimidinas canônicas [4, 5, 6].

De acordo com Orgel [3], foi Graham Cairns-Smith o primeiro a enfatizar que talvez as dificuldades de síntese de nucleotídeos tornassem improvável que o 'mundo do RNA’ surgisse diretamente a partir de um período de química pré-biótica na terra primitiva. Contudo, ao invés de simplesmente decretar a questão como uma parede intransponível ao conhecimento, o próprio Cairn-Smith sugeriu cenários alternativos, um deles que tem sido cada vez mais explorado. A proposta geral é que um sistema anterior ao RNA teria sido o primeiro a surgir, talvez mesmo envolvendo processos envolvendo a seleção natural de sistemas auto-replicantes  baseados em outros tipos de moléculas.

A proposta favorita de Cairn-Smith é que estes sistemas originais seriam muito mais simples do que imaginaríamos: Argilas, cujo padrão de fraturas orientaria o crescimento destes sistemas minerais de maneira análoga aos processos de replicação por cópia de molde, fazendo com que estes sistemas minerais fossem capazes de algum nível de hereditariedade. Mas Cairn-Smith, não parou aí, e apontou que mesmo que a sua proposta preferida não estivesse correta, ainda assim, antes do RNA outro tipo de polímero linear, que fossem bem mais simples e facilmente sintetizada nas condições prébióticas que o RNA, poderia ter cumprido a função de molécula genética. 

A ideia de Cairn-Smith era de que este sistema pré-RNA (especialmente, o seu modelo de argilas auto-replicantes)  teriam dado origem ao RNA ou a outro polímero autorreplicante mais simples e estes teriam substituído o sistema anterior, no qu ele batizou de 'tomada genética’ [3].  

Vamos voltar a esta questão mais adiante, mas agora é importante enfatizar que meros 5 anos após os comentários de Orgel referindo ao prognóstico de Cairn-Smith, cientistas conseguiram produzir ribonucleotídeos ativados por vias alternativas de síntese em que essas moléculas a base de pirimidina podem ser formadas em sequências curtas sem passar por uma etapa em que existem a ribose e as nucleobases [3]. A equipe liderada por John Sutherland da Universidade de Manchester mostrou que é possível formar estas moléculas por meio da síntese continua de intermediários quiméricos sem a necessidade de açúcares e nucleobases livres, e estes podem ser formados com alta produtividade de até 92 por cento [“Insight into RNA origins”] [6].

Ao contrário das vias tradicionais, esta via prossegue através dos intermediários arabinose amino-oxazolina e anidronucleosídeos. Estas reações têm como reagentes básicos a cianamida, o cianoacetileno, o glicolaldeído, o gliceraldeído, além do fosfato inorgânico, todas moléculas pré-bióticas bastante plausíveis, portanto, sugerindo que esta via é consistente com as condições da terra primitiva e os modelos geoquímicos em que se baseiam [5, 6, 7].

Todavia, mesmo que os ribonucleotídeos mostrem-se realmente muito difíceis de serem sintetizados em condições pré-bióticas, ainda assim, não podemos esquecer que existem outros tipos de cenário bem mais indiretos que dependem do surgimento de outras moléculas diferentes do RNA, e mesmo que não sejam ácidos nucleicos, como Cairn-Smith já havia notado [3].

Estas outras biomoléculas especialmente os aminoácidos, encontrados mesmo no espaço sideral, sendo particularmente diversos e abundantes em certos tipos de meteoritos, como o Murchinson [e mesmo os seus polímeros (peptídeos e proteínas), assim como vários tipos de lipídios e moléculas anfifílicas que tem a tendência de formar vesículas e encapsular outras moléculas], são muito mais facilmente formadas e podem perfeitamente terem precedido o mundo do RNA, tendo até mesmo preparado o cenário para ele.

Desde que o químico Sidney W. Fox na década de 1950 e 1960 descreveu a formação de aminoácidos, peptídeos/proteinóides e microesferas peptídicas a partir de processos termais - inclusive, tendendo a criar certos tipos de sequência mais do que outras o que minimizaria o papel da chance – ficou claro que proteínas podem ter tido uma origem independente e anterior aos ácidos nucleicos. Assim, existem várias evidências que mostram que estas moléculas podem surgir em muitas condições, inclusive através da polimerização autoinduzida a partir da afinidade das cadeias laterais ou também por meio da polimerização assistida por superfícies minerais. Portanto, peptídeos poderiam ter se formado, nas condições de terra primitiva, por exemplo, por meio de reações induzidas por sais em conexão com a adsorção em minerais de argila, que estão até o momento entre os mecanismos mais simples e mais universais conhecidos.

Um ponto interessante é que as propriedades destas reações favorecem a formação de certos peptídeos biologicamente relevantes dentro de uma ampla gama de condições ambientais, tais como temperatura, pH, e da presença de compostos inorgânicos. Essas preferências de reação inerentes as ligações peptídicas tornam o argumento de 'impossibilidade estatística’ da formação evolutiva das biopolímeros 'corretos’, pelo menos no caso dos peptídeos e proteínas, completamente mudo. [8]. Além destas considerações importantes, uma parte dos estudiosos da origem da vida propõem  que conjuntos autocatalíticos de proteínas [isto é, conjuntos de moléculas que formariam uma rede autossustentada de reações que reproduziriam tal rede] poderiam ser os sistemas autoprodutores originais a partir dos quais a vida baseada em moléculas informacionais como o RNA e DNA teria surgido [Mais sobre isso adiante].

Na realidade, nas últimas décadas vários químicos vêm trabalhando vários tipos de moléculas muito mais facilmente sintetizadas que os ácidos nucleicos e que compartilham várias das mesmas propriedades, como os PNAs e os TNAs. Ainda mais recentemente vários, outros tipos de nucleotídeos alternativos, os chamados de XNAs (Ácidos Xenonucleicos) também estão sendo investigados e mostram propriedades intermediárias e relativamente flexíveis que poderiam ter facilitado o processo de transição para o 'mundo do RNA’, reforçando a tese que, antes do ’mundo do RNA’, outro polímero pode ter ocupado o papel de molécula informacional/hereditária e catalítica. Sendo assim, os ribonucleotídeo e as cadeias de RNA poderiam ter se originado já a partir de sistemas bioquímicos mais complexos [9, 10].

Por enquanto, existen seis polímeros alternativos aos ácidos nucleicos tradicionais que podem transmitir informação genética, e evoluir em laboratório de modo que possam ligar-se especificamente a várias moleculas alvo [9, 10] [Veja também “Polymers perform non-DNA evolution”].

Os XNAs [Veja a figura abaixo e a direita extraída de Schimdt, M. Bioessays. 2010 April; 32(4): 322–331. doi:  10.1002/bies.200900147] produzidos pela equipe de Holliger têm as pentoses típicas do DNA e do RNA substituídas por outras seis estruturas cíclicas, mas que ainda permitem a formação de cadeias helicoidais e pareamento entre bases. Os cientistas ao invés de usar a síntese química tradicional, modificaram enzimas polimerases e transcriptases reversas de modo a copiarem a informação genética a partir de modelos de DNA para XNAs e vice-versa.

Como essas enzimas não funcionam muito bem com estes novos nucleotídeos, os pesquisadores tiveram que mutá-las e aos poucos selecionado as mais capazes de  processar estes novos aćidos nucleicos, como fizeram com os nucleotídeos ativados dos ácidos 1,5-anidro-hexitol (HNA) ciclohexenil (CENA) -nucleicos. Os pesquisadores então fizeram basicamente o mesmo com a transcriptase reversa, oque permitiu a eles isolar enzimas que conseguissem transferir a informação genética entre os seis XNAs e o DNA. Essas enzimas podem replicar com precisão a informação genética do DNA para o XNA e de volta ao DNA com muita eficiência, mas ainda assim com erros de cópia suficientes para possibilitarem o surgimento de  sequências mutantes que poderiam assim evoluir novas funções. De fato, os cientistas mostraram que estas enzimas com algumas modificações podem não só catalizar essas as 

reações de polimerização usando cadeias de nucleotídeos diferentes como moldes, como podem induzir alguns desses XNAs mais diferentes (por exemplo que não se pareia complementarmente por pontes de hidrogênio mas sim por interações hidrofóbicas) assumirem uma conformação  helicoidal mesmo que o sistema de pareamento entre monômeros complementares seja muito diferente daqueles que ocorre entre desoxirribo- e ribonucleotídeos [Veja “Polymers perform non-DNA evolution”]. [9, 10, 11, 12]

Jack Szostak, da Universidade de Harvard, EUA , um dos principais investigadores da área de pesquisas sobre a origem da vida na Terra,  ao comentar o trabalho da equipe de Holliger, afirmou [Veja “Polymers perform non-DNA evolution”]:

“Em princípio, muitos polímeros diferentes podem servir as funções de RNA e DNA em organismos vivos. Por que então a biologia moderna usa apenas RNA e DNA? A resposta provavelmente reside em dois “filtros”. Em primeiro lugar, apenas alguns ácidos nucleicos podem realmente ser feitas na Terra primitiva. Em segundo lugar, em relação aos polímeros que, na verdade, podem ser produzidos, alguns podem ter sido funcionalmente superiores aos outros em termos de facilidade e precisão de replicação ou capacidade de gerar  estruturas catalíticas dobradas”

Em conjunto, essas novas descobertas sugerem fortemente que podem existir vários tipos de moléculas capazes de servir como armazenadores e transmissores de informação hereditária e também de funcionar como agentes catalíticos e de ligação. Isso nos permite tirar duas conclusões relativamente sólidas. A primeira delas é que não existe um único caminho para a origem da vida, portanto, os argumentos de improbabilidade não têm qualquer  força contra as teorias, cenários e modelos de origens naturais para os sistemas biológicos. A segunda é que a evolução de sistemas autorreplicantes e protocelulates, a partir dos quais a vida como nós conhecemos (formados por moléculas como RNA e DNA) pode ter ocorrido através da evolução pregressa em um contexto protocelular mais complexo do que os modelos convencionais pré-bióticos, substituindo sistemas bioquímicos de controle de replicação bem mais simples e antigos, mas em que a catálise por proteínas (e/ou por outro tipo de polímero já existiria), conservando este aspecto de modo similar ao que deve ter acontecido em relação ao RNA quando este teve muitos de seus papéis substituídos pelo  DNA [Veja “Polymers perform non-DNA evolution”]. Aqui voltamos a questão da distinção entre química pré-biótica e evolução molecular de sistemas autorreplicantes. Caso o apresentado neste parágrafo esteja correto, as três primeiras etapas sugeridas por Orgel [3] em relação a origem do RNA poderiam não estarem associadas a química pré-bióticas, mas já a evolução molecular de sistemas de polímeros mais antigos e mais simples que o RNA.

Note bem, uma vez estabelecido o RNA (embora sem dúvida restem muitos desafios para compreender como se deu a evolução neste 'mundo de RNA’), as questões a serem respondidas passam a ser mais simples quando comparadas aos problemas que cercam a origem em si do RNA, uma vez que existe ampla evidência experimental que a partir de conjuntos aleatórios de polímeros de RNA de vários tamanhos é perfeitamente possível selecionar sequências autorreplicantes de vários tipos e com várias propriedades catalíticas bem específicas e interessantes do ponto de vista das formas como a evolução destes sistemas pode ter ocorrido.

Assim, Orgel já concluíra em 2004 [3] que já se sabia o suficiente para sugerir que cada uma das etapas consideradas necessárias para que se evolua, a partir de uma dessas bibliotecas aleatórias de sequências de fitas duplas de RNA, um sistema autossustentado, enclausurado em um sistema membranar, já poderiam ser demonstradas através de experimentos de laboratório.  

Por exemplo, Gerald Joyce e Tracey Lincoln [13] trabalhando no Scripps Research Institute em La Jolla, California, criaram um sistema químico in vitro que exibe certas propriedades que se assemelham muito as dos seres vivos, como capacidade autorreplicação indefinida, mutação e 'sobrevivência dos mais aptos’. O sistema de acordo com os autores do trabalho de ribozimas (enzimas de RNA) pode replicar-se indefinidamente nos deixa mais próximos de compreendermos as  origens da vida em nosso planeta, assim como nos ajudar a descobrir como sistemas vivos podem ser sintetizados em laboratórios.

O sistema de ribozimas autorreplicantes opera através de replicação cruzada (cross-replication) e envolve um par de ribozimas que sintetizam uma a outra a partir de um total de quatro substratos de oligonucleótidos. Cada uma das ribozimas é formada por 70 nucleotídeos que catalizam a síntese uma da outra. Desta maneira, a ribozima da 'esquerda’ serve com molde à síntese da ribozimas da direita que por sua vez serve de molde para a da 'esquerda’ e assim por diante,  uma construindo a outra através do pareamento Watson-Crick, isto é, A-U e C-G.

Como Joyce enfatiza, quando chegamos nesta fase estamos na realidade na fronteira em que a química começa a se tornar biologia, o que permite que a 'informação genética molecular’ passe a ser 'imortalizada’. O processo de amplificação ocorre com um tempo de duplicação de aproximadamente 1 hora e pode ser mantido indefinidamente [Veja “Chemists edge closer to recreating early life”].

Vários outros sistemas similares, mas envolvendo uma única ribozima, já haviam sido desenvolvidos, mas eles acabavam mais cedo ou mais tarde se degenerando e parando de se replicar. Porém, isso ocorria, segundo Joyce e Lincoln, por que a ligação entre o catalizador e o seu produto tornava-se forte demais, colocando um ponto final ao processo. Este problema foi resolvido pelos dois pesquisadores ao adotarem este sistema de replicação cruzada de duas sequências de RNA que agiam como ribozimas distintas tendo a outra como substrato. Assim, enquanto os pesquisadores continuarem acrescentando nucleotídeos a solução o processo de replicação cruzada continua a ocorrer, sendo esta uma das mais belas demonstrações de princípio dentro dos estudos modernos sobre as origens da vida em nosso planeta [13]. 

O sistema também demostra a ação da seleção natural, o que foi atingido através do desenvolvimento, por parte do grupo de pesquisa, de 12 pares de ribozimas que se replicam cruzadamente, deixando-as competir por um mesmo estoque limitado de oligonucleotídeos livres na solução. Assim, ocasionalmente, uma mutação surge fazendo com que um dos pares começasse a combinar os nucleotídeos de uma maneira ligeiramente diferente e um pouco mais eficaz, dando origem a uma variante de um dos dose sistemas originais que, após vários turnos de replicação (gerações), acabava por eventualmente dominar a população inteira [13]. 

Mas a história não acaba aí, nas últimas décadas certos conjuntos de reações de polimerização cruzadas ainda mais complexas que as envolvidas no sistema de Joyce e Licoln, conhecidos como 'conjuntos autocatalíticos’, têm sido estudados e propostos como tendo tido uma participação nesta fase inicial da origem da vida e criado as bases para a emergência de moléculas orgânicas cada vez mais complexas, dando origem a diversidade química necessária para o surgimento de moléculas como o RNA e o DNA.

Este cenário aproxima-se bastante da outra grande abordagem para a origem da vida já mencionada, o 'metabolismo primeiro’, na qual estas reações haveriam antecedido muito o surgimento de moléculas autorreplicantes 13].

Na abordagem “metabolismo primeiro” processos análogos ao desses conjuntos autocatalíticos [isto é, envolvendo conjuntos de várias reações cujos produtos ajudariam da formação dos reagentes de outras e portanto formariam um ciclo autossustentado], mas que ocorreria com moléculas inorgânicas muito mais simples - como ferro, enxofre, níquel e cobre,  como o ’mundo de ferro-enxofre’ de Günter Wächtershäuser [15] que propôs o modelo de 'metabolismo de superfície’. Este modelo envolve ciclos de reações de transferência de elétrons, tendo como base o acetato e o ciclo reverso do ácido cítrico, por exemplo, [veja também 16, 17] que seriam alimentados por atividade geotérmica, como os fluxos de materiais e os gradientes térmicos formados em respiros e fumarolas submarinas. De acordo com os defensores desta abordagem, estes sistemas poderiam ser a base da vida ou, pelo menos, os responsáveis pela síntese de moléculas cada vez mais complexas.

Para Wächtershäuser [15], as pistas de como teria sido este sistema protometabólico original podem ser encontradas em certas reações bioquímicas modernas ubíquas entre os seres vivos. O químico alemão propôs que este ciclo autocatalítico original pode ser retrodito a partir do ciclo redutor do ácido cítrico substituindo os tioésters por tioácidos, ao pressupor-se que a fonte de redução necessária poderia ser suprida pela formação oxidativa de pirita (FeS2). Wächtershäuser também postula que este ciclo não poderia existir sozinho, mas deveria fazer parte de um conjunto maior de redes de reações concatenadas que estariam por trás de outros ciclos metabólicos modernos [15].

Neste modelo 'quimioautotrófico’ para origem da vida, através de um 'mundo de ferro-enxofre’, é postulado que estes sistemas protometabólicos teriam se originado em locais de exalações vulcânicas redutoras, como certas fumarolas subaquáticas cuja temperatura próxima as suas saídas estaria por volta 100⁰C.

Este proto-organismo possuiria uma estrutura composta de uma subestrutura inorgânica e uma superestrutura orgânica. Dentro da subestrutura inorgânica as superfícies do ferro, cobalto, níquel e outros núcleos formados por metais de transição (complexados com sulfido, carbonila e outros ligantes) seriam  cataliticamente ativas, promovendo o crescimento da superestrutura orgânica por meio da fixação do carbono, impulsionado pelo potencial de redução das exalações vulcânicas.

Este protometabolismo pioneiro seria mantido por um mecanismo de retroalimentação autocatalítico, com alguns produtos orgânicos servindo como ligantes que ativariam os centros catalisadores metálicos onde estes mesmos compostos orgânicos haviam sido formados. Esta relação estrutura-função unitária característica deste proto-organismo pioneiro, postulado Wächtershäuser, mais tarde teria dado origem a duas características chave dos sistemas biológicos, como os conhecemos hoje: a celularização e a emergência da maquinaria genética em que moléculas molde como RNA e DNA dirigiriam a replicação.

Estes protoorganismos de superfície (’metabolistas de superfície’, como Wächtershäuser às vezes se refere a eles) seriam, portanto, anionicamente ligados às superfícies carregadas positivamente (como seria caso da pirita, por exemplo) na região de interface com a água quente. Porém, a aderência à superfície mineral carregada positivamente não seria o resultado de adsorção, mas sim, uma decorrência do crescimento autotrófico in situ dos componentes aniônicos nascentes. Ao invés da adsorção, na realidade estes ’metabolistas de superfíce’ enfrentariam a 'dessorção’, isto é, estariam sujeitos a um processo de separação seletiva dos seus constituintes que acabaria por selecionar moléculas com maior força de ligação aniônica, como, por exemplo, moléculas maiores polianiônicas, que seriam automaticamente selecionadas, a começar por coenzimas polianiônicas, mas, eventualmente, também ácidos nucleicos e mesmo polipeptídeos.

Esses ’metabolistas de superfície’ primitivos cresceriam, espalhando-se sobre as superfícies vagas; reproduzindo-se ao replicarem as coenzimas autocatalíticas, evoluindo pela indução ambiental da ignição de novos ciclos autocatalíticos. Os ’metabolistas de superfície' evoluíram portanto em direção a maior complexidade por que o equilíbrio termodinâmico em um sistema de metabolismo de superfície favorece os processos de síntese e não os de degradação, como ocorreria em uma solução aquosa em que os reagentes estivessem livres[15].

De acordo com Wächtershäuser, grupos fosfoanidridicos de alta energia não seriam necessários para a formação de ligações covalentes e os grupos fosfato, que devem ter se originado do substrato mineral, teriam como única função neste período original a fixação a superfície, uma vez que a energia para a fixação do carbono seria fornecida pelo processo redox de conversão de íons ferrosos e sulfeto de hidrogênio em pirita, que, por sua vez, não seria apenas um refugo do processo, mas forneceria a mais importante superfície de ligação para os componentes orgânicos [15].

Wächtershäuser em parceria com vários colaboradores, especialmente Claudia Huber [19, 20, 21, 22, 23], têm conseguido mostrar que sistemas baseados nessas ideias em condições que mimetizam ambientes vulcânicos subaquáticos, e outras formas de emissões geotérmicas submarinas, conseguem produzir desde aminoácidos à peptídeos, além de gerarem uma série de reações em cadeia em que produtos de mais alta complexidade vão sendo formados retroalimentando a reação ao funcionarem como reagentes no próprio sistema de reação [veja também “Avalanche of reactions at the origin of life”].

Nesta perspectiva, a vida teria começado de maneira bastante direta por meio de um mecanismo químico determinista e com o tempo ao produzir moléculas cada vez mais complexas, teria dado origem a evolução bem mais indireta com a compreendemos hoje, através de mecanismo estocásticos envolvendo variação herdável causada por erros nos sistemas de replicação e reprodução diferencial [20]

Acima está destacado um sistema de fumarolas subaquáticas semelhantes às da 'Cidade Perdida’, descobertos em 2000 no fundo do Oceano Atlântico, que podem ter tido a combinação geoquímica e geofísica apropriada para o surgimento das primeiras células. Perto das aberturas, as temperaturas estão em torno de 100˚ Celsius, a água é alcalina e compostos orgânicos são abundantes [Veja Willians, 2012].

Não obstante, é preciso deixar claro que estas duas abordagens (’replicadores primeiro’ e ’metabolismo primeiro’) não são necessariamente mutuamente exclusivas. Por exemplo, alguns pesquisadores propõem que um sistema de catalíse mútua através de uma rede pré-biótica de reações químicas acopladas, com os discutidas acima, poderia iniciar uma progressão de fases caracterizadas por cada vez maiores e mais eficientes catalisadores que dariam sustentação a uma rede proto-metabólica, que por fim teria resultado no aparecimento do RNA como macromolécula dominante, exatamente por causa da sua capacidade tanto de catalisar reações químicas e como servir de base para a replicação dirigida por molde [25].

Assim, muitas características dos sistemas vivos modernos, incluindo as vias de biossíntese que levam a metabólitos simples, as estruturas de co-factores de ions orgânicos e metais, a homoquiralidade e a replicação dirigida por moldes dos ácidos nucleicos, teriam surgido antes do 'Mundo do RNA’ e talvez mesmo a partir de sistemas protocelulares muito simples que haveriam e originado nestes contexto geoquímico e geofísico bem especifico, por exemplo, tendo os poros dos sitemas hidrotermais servido como compartimentos ou 'proto-membranas’ [24].

Mas ainda assim, como teria o DNA substituído o RNA?

Takeuchi, Hogeweg e Koonin [25] em um artigo recente avaliaram os cenários evolutivos e as pressões seletivas que podem explicar a divisão de trabalho entre o sistema de armazenamento/transferência, por cópia de uma polímero molde, da função catalisadora que culminou em nosso mundo de DNA/RNA/proteínas a partir de sistemas em que essas funções eram compartilhadas pelo RNA (talvez com ajuda de proteínas).

Os pesquisadores investigaram estes cenários da evolução de moléculas semelhantes ao DNA, isto é, moléculas que podem funcionar apenas como molde, através de modelos computacionais mínimos dos sistemas de replicadores de RNA que podem funcionar tanto como moldes para a replicação assim como ribozimas polimerisadores (como as DNA e RNA polimerases proteicas modernas) dirigida por moldes [25].

Os cientistas exploraram duas classes de modelos, os modelos de superfície, em que os replicadores ficam aderidos às superfícies com difusão finita, e os modelos de compartimentos, em que os replicadores ficam sequestrados por limites similares a vesículas. Em ambos os casos, os modelos exibiram a evolução de trabalho típico do DNA em que uma molécula especializa-se na função de molde e outras na de catalisadores. Segundo Takeuchi, Hogeweg e Koonin [25], no primeiro tipo de modelo, o DNA tem como vantagem conferir uma maior resistência contra sequencias moldes parasitas que replicam-se sem contribuir para a manutenção e replicação do sistema como um todo. No entanto, esta vantagem é em parte compensada pela desvantagem de multiplicação mais lenta devido ao aumento da complexidade do ciclo de replicação. Já, no modelo de compartimento, o DNA pode atrasar significativamente a evolução intracompartimental do RNA por meio de deterioração catalítica.

Os pesquisadores explicam estes resultados em termos de trade-offs entre os papeis de molde e de catalisador que seriam problemas inerentes somente aos ciclos de replicação do RNA. Por isso, versões de moléculas como o DNA liberariam o RNA deste trade-off, fazendo com que seja desnecessário RNA como molde, tornado assim o sistema mais resistente contra a evolução do parasitismo genômico.

Os três cientistas concluem, por fim, que a falta de atividade catalítica do DNA por si só, pode conferir aos sistemas onde há divisão de trabalho uma vantagem seletiva que seria suficiente para os sistemas replicadores de RNA evoluírem a produção do DNA [25]. Esta hipótese oferece uma nova possibilidade que pode ter impulsionado a evolução do DNA, juntando-se ao modelos mais tradicional cuja vantagem conferida pelo DNA estariam associados a sua estabilidade frente ao RNA. Isso mostra que estes fenômenos estão longe de serem realmente tão improváveis como muitos indivíduos que negam a origem natural de sistemas biológicos tendem a pressupor sem entretanto demonstrar tal impossibilidade.

Este ramo da pesquisa científica ainda é profundamente desafiador e não existe uma única grande teoria que de conta de todos os aspectos que os pesquisadores imaginam estarem relacionados com a origem da vida, mesmo por que é extremamente complicado obter evidências mais diretas do que houve a 4 bilhões de anos atrás. Mas, mesmo assim, temos avançado muito nas últimas décadas em termos da compreensão do que pode ter acontecido. De fato, hoje, existem vários cenários, hipóteses e modelos mais específicos que dão conta em maior ou menor grau de vários dos passos e etapas que os cientistas acreditam terem se sucedido desde a origem abiótica das primeiras moléculas orgânicas, inclusive certos biopolímeros, até os primeiros sistemas autorreplicantes e protocelulares que começaram realmente a evoluir nas primeiras células.

O que os pesquisadores fazem é dividir o problema da origem da vida em vários subproblemas com vários grupos investigando várias partes do quebra-cabeças de maneiras distintas e às vezes adotando uma divisão de etapas diferentes uns dos outros. Reconhecer este ponto é importante por que frequentemente os criacionistas argumentam como se os cientistas simplesmente pressupusessem que, em um único evento um sistema celular similar a uma bactéria. teria surgido por combinação aleatória de seus componentes, na tal 'sopa primordial’, algo que nenhum cientista que trabalha com esta área sugeriria em sã consciência.

Muitos dos modelos discutidos e testados pelos cientistas que trabalham neste campo são competidores, mas muitos na realidade são complementares e iluminam-se mutuamete, sendo apoiados por várias linhas de evidências distintas, inclusive com muitos trabalhos experimentais desenvolvidos por vários grupos multidisciplinares de investigadores em laboratórios de algumas das maiores e mais sérias instituições de pesquisa do mundo todo.

As questões são realmente bem complicadas e existem vários debates e discussões envolvendo a pesquisa sobre as origens da vida. Mas isso é algo completamente compreenssível já que ainda sabemos muito pouco sobre esta questão, e como já aludido, muitas das evidências cruciais podem ter simplesmente sido apagadas com o passar das eras ou os sistemas 'protobióticos’ originais mesmo nem terem deixado vestígios devido a sua natureza mais lábil. Contudo, não é possível negar que cada vez compreendemos mais e melhor estas questões de maneira que estas abordagens (isto é, naturalisticas e científicas) são as únicas que tem dado frutos intelectuais verdadeiros e portanto não devem jamais serem subestimadas.

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*A própria expressão 'sopa primordial’, apesar de ainda ser muito empregada mesmo por cientistas que trabalham na área, não descreve muito bem alguns dos principais cenários, hipóteses e modelos para origem das primeiras moléculas orgânicas neste período pré-biótico e é ainda menos talhada para descrever as fases que ocorreram mais tarde,quando  já existiriam polímeros autorreplicantes que poderiam, portanto, passar por processos mais próximos ao que consideramos evolutivos. Mas mesmo em relação ao período mais inicial que antecedeu o surgimento dos primeiros sistemas vivos, como nós os conhecemos hoje ou mesmo mais simples do que estes - e que deve ter ocorrido por volta do final da era Hadeana, assim que o bombardeamento por meteoros e planetesimais em formação se atenuou - é importante que nos lembremos que tal época foi marcada por muita atividade vulcânica e geotérmica de maneira geral.

Assim, o problema com a expressão 'sopa primordial’ é que ela parece nos remeter a ideia que esta fase de química pré-biótica teria envolvido uma solução diluída de moléculas inorgânicas, talvez em algum mar  ou em um grande lago primitivo, mas, como vimos no texto principal, muitas das principais perspectivas que vêm sendo mais exploradas para explicar a origem das primeiras moléculas orgânicas e dos  primeiros polímeros, na verdade, postulam algum tipo de contexto geofísico e geoquímico bem mais específicos em que tais moléculas pudessem se  acumular e concentrarem-se, além de estarem expostas a um fluxo constante de materiais e energia (por exemplo, na forma de gradientes térmicos ou processos de oxidação-redução por precipitação de minerais) e submetidas a processos de catálise assistida por algum tipo de superfície mineral, como a de certas argilas, além da polimerização induzida por sais.

Assim, a síntese das moléculas orgânicas originais mais complexas provavelmente dependeu da atividade geotérmica, tendo ocorrido em fumarolas, respiros ou hidrotermas submarinas [Veja esta matéria]. Mas mesmo que não tenha sido este o caso, outros contextos restritivos tem sido sugeridos e que preveniriam as dificuldades associadas a soluções diluídas, como poças periodicamente formadas por efeitos de maré ou por evaporação da água  que permitiriam o acumulo de certas moléculas e sua adsorção as superfícies, facilitando certas reações em detrimento de outras e concentrando seus produtos. Por isso, é preciso bastante cuidado ao usar a expressão 'sopa primordial’, tendo consciência do tipo de propostas modernas que são realmente investigadas e discutidas pela comunidade científica de modo a não caricaturá-las. [Veja também a resposta sobre os experimentos de Urey-Miller que são relevantes para o modelo da “sopa primitiva” de Oparin e Haldane].

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Recomendo os sites dos grupos de Szostak, Pier Luigi Luisi e Robert M. Hazen, além do ótimo site “Exploring Life’s Origin”, criado por uma estudante de Szostak que é uma excelente introdução a abordagem 'replicadores primeiro’, além do artigo do nosso site “A vida bit por bit” que discute algumas questões conceituais importantes. Além disso tudo, existem várias respostas sobre questões associadas a origem da vida dadas ainda na época em que respondiamos questões como esta no formspring, form_1; form_2; form_3; form_4.

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Literatura Recomendada:

• Damineli, Augusto, & Damineli, Daniel Santa Cruz. (2007). Origens da vida. Estudos Avançados, 21(59), 263-284.

• Zaia, Dimas A. M., & Zaia, Cássia Thaïs B. V. (2008). Algumas controvérsias sobre a origem da vida. Química Nova, 31(6), 1599-1602.

• Kauffman S.A. Approaches to the Origin of Life on Earth. Life. 2011; 1(1):34-48. doi:10.3390/life1010034 [pdf]

• Llorca, Jordi. Matéria orgânica nos meteoritos. INT. MICROBIOL. [online]. 2004, vol.7, n.4, pp. 239-248. ISSN 1139-6709.

• Llorca, Jordi. Matéria orgânica em cometas e em pó cometário. INT. MICROBIOL. [online]. 2005, vol.8, n.1, pp. 5-12. ISSN 1139-6709.

• Peretó J. Controversies on the origin of life. Int Microbiol. 2005 Mar;8(1):23-31. Review. PubMed PMID: 15906258. [HTML]

• Oró J, Miller SL, Lazcano A. The origin and early evolution of life on Earth. Annu Rev Earth Planet Sci. 1990;18:317-56. Review. PubMed PMID: 11538678.

• Robinson R. Jump-starting a cellular world: investigating the origin of life, from soup to networks. PLoS Biol. 2005 Nov;3(11):e396. Epub 2005 Nov 15. PubMed PMID: 16277560; PubMed Central PMCID: PMC1283399.

• Williams, Sarah C.P. Traces of Inaugural Life Science News, Vol.181 , May 19th, 2012 [link]

• Cairns-Smith AG. Chemistry and the missing era of evolution. Chemistry. 2008;14(13):3830-9. PubMed PMID: 18260066.

Literatura Citada:

1. Lazcano A, Guerrero R, Margulis L, Oró J. The evolutionary transition from RNA to DNA in early cells. J Mol Evol. 1988;27(4):283-90. PubMed PMID: 2464698.

2. Yarus M. Getting past the RNA world: the initial Darwinian ancestor. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2011 Apr 1;3(4). pii: a003590. doi: 10.1101/cshperspect.a003590. Review. PubMed PMID: 20719875.

3. Orgel LE. Prebiotic chemistry and the origin of the RNA world. Crit Rev Biochem Mol Biol. 2004 Mar-Apr;39(2):99-123. Review. PubMed PMID: 15217990.  

4. Joyce GF. Evolution in an RNA world. Cold Spring Harb Symp Quant Biol. 2009;74:17-23. Epub 2009 Aug 10. Review. PubMed PMID: 19667013; PubMed Central PMCID: PMC2891321.

5. Szostak JW. Origins of life: Systems chemistry on early Earth. Nature.2009 May 14;459(7244):171-2. PubMed PMID: 19444196.

6. Powner MW, Gerland B, Sutherland JD. Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions. Nature. 2009 May 14;459(7244):239-42. PubMed PMID: 19444213.

7. Ricardo A, Szostak JW. Origin of life on earth. Sci Am. 2009 Sep;301(3):54-61. [em PDF]

8. Rode BM. Peptides and the origin of life. Peptides. 1999;20(6):773-86.Review. PubMed PMID: 10477135.

9. Pinheiro VB, Taylor AI, Cozens C, Abramov M, Renders M, Zhang S, Chaput JC, Wengel J, Peak-Chew SY, McLaughlin SH, Herdewijn P, Holliger P. Synthetic genetic polymers capable of heredity and evolution. Science. 2012 Apr 20;336(6079):341-4. PubMed PMID: 22517858; PubMed Central PMCID: PMC3362463.

10. Yang Z, Chen F, Alvarado JB, Benner SA. Amplification, mutation, and sequencing of a six-letter synthetic genetic system. J Am Chem Soc. 2011 Sep 28;133(38):15105-12. Epub 2011 Sep 6. PubMed PMID: 21842904; PubMed Central PMCID: PMC3427765.

11. Joyce GF. Evolution. Toward an alternative biology. Science. 2012 Apr 20;336(6079):307-8. PubMed PMID: 22517850.

12. Engelhart AE, Hud NV. Primitive genetic polymers. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2010 Dec;2(12):a002196. Epub 2010 May 12. Review. PubMed PMID: 20462999.

13. Lincoln TA, Joyce GF. Self-sustained replication of an RNA enzyme. Science. 2009 Feb 27;323(5918):1229-32. Epub 2009 Jan 8. PubMed PMID: 19131595; PubMed Central PMCID: PMC2652413.

14. Joyce GF. Evolution in an RNA world. Cold Spring Harb Symp Quant Biol. 2009;74:17-23. Epub 2009 Aug 10. Review. PubMed PMID: 19667013; PubMed Central PMCID: PMC2891321.

15. Wächtershäuser G. Before enzymes and templates: theory of surface metabolism. Microbiol Rev. 1988 Dec;52(4):452-84. Review. PubMed PMID: 3070320; PubMed Central PMCID: PMC373159.

16. Shapiro, R. (2007) A Simpler Origin for Life Scientific American, 296, June, 46-53. [em PDF]

17. Trefil J, Morowitz HJ, Smith E: The Origin of Life. A case is made for the descent of electrons. Am Sci 2009, 97(3):206-213.

18. Wächtershäuser G. Evolution of the first metabolic cycles. Proc Natl Acad Sci U S A. 1990 Jan;87(1):200-4. PubMed PMID: 2296579; PubMed Central PMCID: PMC53229.

19. Huber C, Wächtershäuser G. Peptides by activation of amino acids with CO on (Ni,Fe)S surfaces: implications for the origin of life. Science. 1998 Jul 31;281(5377):670-2. PubMed PMID: 9685253.

20. Huber C, Wächtershäuser G. alpha-Hydroxy and alpha-amino acids under possible Hadean, volcanic origin-of-life conditions. Science. 2006 Oct 27;314(5799):630-. PubMed PMID: 17068257.

21. Huber, Claudia , Kraus, Florian, Hanzlik, Marianne,Eisenreich, Wolfgang, Wächtershäuser, Günter Elements of Metabolic Evolution. Chemistry - A European Journal, 2012; DOI: 10.1002/chem.201102914

22. Wächtershäuser G. From volcanic origins of chemoautotrophic life to Bacteria, Archaea and Eukarya. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2006 Oct 29;361(1474):1787-806; discussion 1806-8. PubMed PMID: 17008219; PubMed Central PMCID: PMC1664677.

23. Wächtershäuser G. On the chemistry and evolution of the pioneer organism. Chem Biodivers. 2007 Apr;4(4):584-602. Review. PubMed PMID: 17443873.

24. Copley SD, Smith E, Morowitz HJ. The origin of the RNA world: co-evolution of genes and metabolism. Bioorg Chem. 2007 Dec;35(6):430-43. Epub 2007 Sep 25. PubMed PMID: 17897696.

25. Takeuchi N, Hogeweg P, Koonin EV. On the origin of DNA genomes: evolution of the division of labor between template and catalyst in model replicator systems. PLoS Comput Biol. 2011 Mar;7(3):e1002024. Epub 2011 Mar 24. PubMed PMID:21455287; PubMed Central PMCID: PMC3063752.

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Crédito das Figuras:

CHRIS BUTLER/SCIENCE PHOTO LIBRARY
MAX ALEXANDER/SCIENCE PHOTO LIBRARY

PASIEKA/SCIENCE PHOTO LIBRARY

Diferença entre DNA e RNA [wikicommons]

Grande Abraço,

Rodrigo