Novo modelo pode explicar surgimento de autorreplicação nos primórdios da Terra

Post traduzido para o Universo Racionalista 

Crédito: Credit: Maslov and Tkachenko

Quando a vida na Terra começou há mais 4 bilhões de anos - muito antes dos seres humanos, dos dinossauros ou até mesmo as primeiras formas unicelulares de vida -, ela pode ter iniciado como um "soluço" ao invés de um "rugido": Blocos simples de construção moleculares, conhecidos como monômeros, foram agregando-se em cadeias mais longas, chamadas de polímeros, e, sequencialmente, acabaram indo em direção a lagos quentes - que alguns chamam de lodo primordial.

   Então, em algum momento, essas cadeias poliméricas crescentes desenvolveram a capacidade de fazer cópias de si mesmas. A concorrência entre tais moléculas garantiria a existência das mais eficientes na tarefa e, também, a capacidade de fazer cópias mais rápidas ou com maior abundância -- traço que seria compartilhado pelas cópias geradas. Esses replicadores rápidos poderiam preencher o lodo primordial com mais velocidade do que os outros polímeros, permitindo que a informação por eles codificada pudesse ser passada de uma geração para outra, eventualmente, dando origem ao que nós pensamos hoje como a vida.

   Mas, sem registro fóssil para verificar os acontecimentos da Terra primordial, temos uma narrativa que ainda está ausente de alguns capítulos. Uma questão em particular continua a ser problemática: o que permitiu o salto de uma sopa primordial constituída de monômeros individuais para cadeias de polímeros autorreplicantes?

   Uma nova proposta, publicada nesta semana no The Journal of Chemical Physics, postula que a ligação de polímeros pode ter sido auxiliada por uma molécula-modelo, ou seja, a união de dois polímeros auxiliada por essa molécula-modelo poderia ter permitido que eles se tornassem autorreplicantes.

   "Tentamos preencher essa lacuna no entendimento entre os sistemas físicos simples para algo que pode se comportar de forma realista e transmitir informações", disse Alexei Tkachenko, pesquisador do Brookhaven National Laboratory. Tkachenko realizou a pesquisa ao lado de Sergei Maslov, um professor da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.

 Origens da autorreplicação

   A autorreplicação é um processo complicado. O DNA, base para a vida na Terra hoje, requer uma ação coordenada de enzimas e de outras moléculas a fim de se duplicar. Os primeiros sistemas autorreplicantes eram, certamente, mais rudimentares, mas a sua existência naquela época ainda é um pouco desconcertante.

   Tkachenko e Maslov propuseram um novo modelo que mostra como as primeiras moléculas autorreplicantes poderiam ter trabalhado. O modelo alterna entre as fases "dia", em que os polímeros individuais flutuam livremente, e fases "noite", em que se juntam para formar cadeias maiores via ligação auxiliada por uma molécula-molde. As fases são conduzidas pelas alterações cíclicas das condições ambientais, tais como temperatura, pH e salinidade - que conduzem o sistema para fora do equilíbrio e induzem os polímeros tanto a se unirem ou a se separam.

   De acordo o modelo, durante os ciclos de noite, múltiplos pequenos polímeros ligam-se a cadeias de polímeros maiores, que atuam como molde. Esse molde maior de cadeias mantém os polímeros menores próximos o suficiente para que eles possam formar uma ligação química de cadeias maiores - sendo uma cópia complementar de pelo menos parte da molécula modelo. Com o tempo, os polímeros sintetizados devem predominar, dando origem a um sistema autocatalítico e autossustentável de moléculas grandes o suficiente para potencialmente codificar novas moléculas para a vida.

   Os polímeros, também, podem ligar-se em conjunto sem a ajuda de um molde, mas o processo é um pouco mais aleatório - uma cadeia que se forma em uma geração não será necessariamente levada para a próxima. A ligação assistida por molde, por outro lado, é um meio mais fiel de preservar a informação, uma vez que as cadeias de polímero de uma geração são utilizadas para construir a próxima. Assim, essa proposta combina o prolongamento de cadeias de polímero com a sua replicação, proporcionando um mecanismo potencial de hereditariedade.

Enquanto alguns estudos anteriores têm argumentado que uma mistura dos dois é necessária para sair um sistema de monômeros para outro de polímeros autorreplicantes, o modelo de Maslov e Tkachenko demonstra que é fisicamente possível para a autorreplicação surgir com apenas ligação auxiliada pelo modelo.

"O que nós demonstramos pela primeira vez é que mesmo se tudo que você tem é a ligação auxiliada pelo modelo, você ainda pode iniciar o sistema de sopa primordial", disse Maslov.

   A ideia da autorreplicação auxiliada por uma molécula molde foi originalmente proposta na década de 1980, mas de uma forma qualitativa. "Agora, é um modelo real que pode ser executado através de um computador", disse Tkachenko. "É uma peça sólida de ciência para a qual você pode adicionar outros recursos e estudar os efeitos de memória e herança."

   Com o modelo de Tkachenko e Maslov, a condução a partir de monômeros para polímeros é bem mais repentina. É necessário um determinado conjunto de condições para dar o salto inicial de monômeros para polímeros autorreplicantes, mas essas exigências rigorosas não são necessárias para manter um sistema de polímeros autorreplicantes uma vez que se venceu sobre o primeiro obstáculo.

Uma limitação do modelo que os pesquisadores planejam abordar em estudos futuros é a sua suposição de que todas as sequências de polímero são igualmente prováveis de ocorrer. Transmissão de informações requer variação hereditária -- há determinadas combinações de código de bases para proteínas específicas, que têm funções diferentes. O próximo passo, então, é a de considerar um cenário em que algumas sequências tornam-se mais comuns do que outras, permitindo que o sistema para transmitir informações significativas.

   O modelo de Maslov e Tkachenko se encaixa na proposta conhecida como hipótese do mundo-RNA - a hipótese de que a vida na Terra começou com moléculas de RNA autocatalíticas que, em seguida, levaria a existência da molécula mais estável, porém mais complexa como modo de transmissão de herança, do DNA. Entretanto, por ser uma tese muito geral, pode ser utilizada para testar quaisquer hipóteses sobre a origem da vida que dependa do surgimento de um sistema simples autocatalítico.

   Maslov adiciona: "Nós não estamos tentando resolver a questão de qual material esta sopa primordial de monômeros está vindo" ou quais as moléculas específicas envolvidas. Em vez disso, o seu modelo mostra um caminho fisicamente plausível partindo de monômero indo em direção a polímeros autorreplicante, assim avançando um passo mais para de compreender a origem da vida.
 

 Traçando a origem da vida, de Darwin até os dias atuais 

  Quase toda cultura no planeta tem uma história de origem, uma lenda que explica a sua existência. Os seres humanos parecem ter uma profunda necessidade de uma explicação de como acabamos aqui, neste pequeno planeta girando através de um vasto universo. Os cientistas, também, há muito , têm procurado a história de nossas origens, tentando discernir como, em uma escala molecular, a Terra passou de uma confusão de moléculas inorgânicas para um sistema ordenado de vida. A pergunta é impossível de responder com certeza; não há registro fóssil nem testemunhas oculares. Entretanto, isso não impediu que cientistas de tentarem.

   Ao longo dos últimos 150 anos, nossa compreensão da origem da vida tem espelhado o surgimento e desenvolvimento dos campos de química orgânica e biologia molecular. Ou seja, uma maior compreensão do papel que os nucleotídeos, proteínas e genes desempenham na formação do nosso mundo vivo hoje também melhora, gradualmente, a nossa capacidade de perscrutar o seu passado misterioso.

   Quando Charles Darwin publicou seu seminal "A Origem das Espécies", em 1859, ele falou pouco sobre o surgimento da vida em si, possivelmente porque, na época, não havia nenhuma maneira de testar tais ideias. Suas únicas observações reais sobre o assunto vêm de uma carta posterior a um amigo, na qual ele sugeriu um que a vida surgiu a partir de uma "poça morna" com um rico caldo de química de íons. No entanto, a influência de Darwin era de longo alcance, e suas observações improvisadas formaram a base de muitas origens dos cenários da vida nos anos seguintes.

   No início do século 20, a ideia foi popularizada e expandida por um bioquímico russo chamado Alexander Oparin. Ele propôs que a atmosfera na Terra primitiva era reduzida, o que significa que teve um excesso de carga negativa. Este desequilíbrio de carga poderia catalisar uma sopa pré-biótica de moléculas orgânicas existentes em direção às primeiras formas de vida.

   Os textos de Oparin, eventualmente, inspiraram Harold Urey, que começou a explorar a proposta de Oparin. Urey, em seguida, chamou a atenção de Stanley Miller, que decidiu testar, formalmente, a ideia. Miller tomou uma mistura da qual ele acreditava que os oceanos da Terra primitiva pode ter constituído -- uma mistura de compostos reduzidos, ou seja, composto de metano, amônia, hidrogênio e água- - e a ativou com uma faísca elétrica. A descarga elétrica transformou quase a metade do carbono no metano em compostos orgânicos. Um dos compostos que produziram foi glicina, o aminoácido mais simples.

   O experimento inovador de Miller-Urey mostrou que a matéria inorgânica poderia dar origem a estruturas orgânicas. E, embora a ideia de uma atmosfera redutora tenha caído gradualmente em desuso, sendo substituída por um ambiente rico em dióxido de carbono, a estrutura básica de Oparin de uma sopa primordial rica em moléculas orgânicas ainda continua plausível.

A identificação de DNA como o material hereditário comum para toda a vida, e a descoberta de que o DNA codifica o RNA, que, por sua vez, codifica as proteínas, forneceu uma nova visão sobre a base molecular para a vida. No entanto, forçou, também, os pesquisadores da origem da vida para responder a uma pergunta desafiadora: Como poderia essa maquinaria molecular complicada ter começado? O DNA é uma molécula complexa, requerendo uma equipe coordenada de enzimas e de proteínas para se replicar. Seu surgimento espontâneo parecia improvável.

Na década de 1960, três cientistas -- Leslie Orgel, Francis Crick e Carl Woese –, independentemente, sugeriram que o RNA poderia ser o elo perdido. Já que o RNA pode autorreplicar-se, então, poderia ter agido tanto como material genético como catalisador para o início da vida na Terra. O DNA, mais estável, embora mais complexo, surgiria mais tarde.

   Atualmente, acredita-se, amplamente (embora não universalmente aceito), que, em algum ponto da história, um mundo baseado no RNA dominou a Terra. Mas, como e se houve um sistema ainda mais simples é algo que continua em debate. Muitos argumentam que o RNA é muito complicado para ter sido o primeiro sistema de autorreplicantes na Terra, e que algo mais simples o precedeu.

Graham Cairns-Smith, por exemplo, tem argumentado, desde a década de 1960, que as primeiras estruturas genéticas não foram baseadas em ácidos nucleicos, mas em cristais imperfeitos que surgiram a partir da argila. Segundo ele, os defeitos nos cristais armazenariam as informações que poderiam ser replicado e transmitido de um cristal para outro. Sua ideia, embora intrigante, não é amplamente aceita.

   Alternativamente, outros pesquisadores suspeitam que o RNA possa ter surgido em conjunto com os peptídeos - uma tese conhecida como mundo peptídeo-RNA -, em que ambos trabalharam juntos para construir a complexidade. Os estudos bioquímicos, também, estão fornecendo informações sobre ácidos nucleicos análogos ao RNA, porém mais simples. Ainda, é possível que os primeiros sistemas autorreplicantes na Terra não tenham deixado nenhum vestígio de si mesmos em nossos sistemas bioquímicos atuais.

   É nesse sentido que o recente trabalho de Tkachenko and Maslov traz uma colaboração importante. Sugerem que as moléculas autorreplicantes, tais como o RNA, possam ter surgido através de um processo chamado de ligação auxiliada por um molde. Isto é, sob certas condições ambientais, pequenos polímeros poderiam ser levados a ligar-se com cadeias mais longas de um polímero complementar, mantendo os fios curtos em proximidade suficientes próximos uns dos outros para que eles pudessem se fundir em cadeias mais longas. Através de mudanças cíclicas nas condições ambientais que induzem cadeias complementares que virão juntos, uma coleção autossustentável de hibridizadas -- polímeros autorreplicantes --, capazes de codificar as bases para a vida, poderia ter surgido.

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Fonte:  Phys.org

Tradução: Cícero Escobar

Artigo
"Spontaneous emergence of autocatalytic information-coding polymers," por Alexei Tkachenko and Sergei Maslov, The Journal of Chemical Physics on July 28, 2015: http://scitation.aip.org/content/aip/journal/jcp/143/2/10.1063/1.4922545