Como a vida pode ter surgido da no-vida?

Meio ambiente

Com informações da LMU – 05/03/2021

Como sair do caos para a vida

Antes do surgimento da vida na Terra, muitos processos fsico-qumicos em nosso planeta eram altamente caticos. Uma infinidade de pequenos compostos e polmeros de comprimentos variados, compostos de subunidades (como as bases encontradas no DNA e no RNA), estavam presentes em todas as combinaes concebveis.

Antes que processos qumicos semelhantes vida pudessem surgir, o nvel de caos nesses sistemas teve que ser reduzido de alguma forma.

Uma equipe de fsicos da Universidade Ludwig-Maximilians de Munique, na Alemanha, acaba de demonstrar experimentalmente que caractersticas bsicas de polmeros simples, juntamente com certos aspectos do ambiente pr-bitico, podem dar origem a processos de seleo que reduzem a desordem.

Desde publicaes anteriores, o grupo de pesquisa vinha explorando como a ordem espacial poderia ter-se desenvolvido em cmaras estreitas e cheias de gua em rochas vulcnicas porosas no fundo do mar. Esses estudos mostraram que, na presena de diferenas de temperatura e de um fenmeno convectivo, conhecido como efeito Soret, os filamentos de RNA poderiam ser acumulados localmente em vrias ordens de magnitude de uma maneira dependente do comprimento.

“O problema que as sequncias de bases das molculas mais longas que se obtm so totalmente caticas,” explica o professor Dieter Braun.

As ribozimas evoludas (enzimas baseadas em RNA) tm uma sequncia de bases muito especfica, que permite que as molculas se dobrem em formas particulares, enquanto a grande maioria dos oligmeros formados na Terra primitiva provavelmente tinham sequncias aleatrias.

“O nmero total de possveis sequncias de base, conhecido como ‘espao de sequncia’, incrivelmente grande,” acrescenta Patrick Kudella, que liderou esta nova pesquisa. “Isso torna praticamente impossvel montar as estruturas complexas caractersticas das ribozimas funcionais, ou molculas comparveis, por um processo puramente aleatrio.”

Polimerizao e ligadura

Isso levou a equipe a suspeitar que a extenso das molculas para formar oligmeros maiores estaria sujeita a algum tipo de mecanismo de pr-seleo. Como na poca da origem da vida havia apenas alguns poucos processos fsicos e qumicos muito simples, em comparao com os sofisticados mecanismos de replicao das clulas, a seleo de sequncias deve ter-se baseado no ambiente e nas propriedades dos oligmeros.

Para garantir a funo cataltica e a estabilidade dos oligmeros, importante que eles formem fitas duplas, como a conhecida estrutura helicoidal do DNA. Esta uma propriedade elementar de muitos polmeros e permite complexos qumicos formados por partes com fita simples e parte com fitas duplas.

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

“Nosso experimento comea com um grande nmero de fitas curtas de DNA, e em nosso sistema modelo para os primeiros oligmeros usamos apenas duas bases complementares, adenina e timina,” conta Braun. “Assumimos que a ligadura de fitas com sequncias aleatrias leva formao de fitas mais longas, cujas sequncias de bases so menos caticas.”

A equipe ento analisou as misturas de sequncias produzidas nesses experimentos usando um mtodo que tambm usado na anlise do genoma humano. O teste confirmou que a entropia da sequncia, isto , o grau de desordem ou aleatoriedade nas sequncias recuperadas, foi de fato reduzida nestes experimentos.

Vida a partir do caos

Os pesquisadores tambm conseguiram identificar as causas dessa ordem “autogerada”, um processo conhecido como auto-organizao. Eles descobriram que a maioria das sequncias obtidas caiu em duas classes – com composies de base de 70% de adenina e 30% de timina, ou vice-versa.

“Com uma proporo significativamente maior de uma das duas bases, a fita no se dobra sobre si mesma e permanece como um parceiro de reao para a ligadura,” explicou Braun. Assim, dificilmente quaisquer fitas com metade de cada uma das duas bases seriam formadas na reao. “Tambm vimos como pequenas distores na composio da sopa de DNAs curtos deixam padres distintos dependentes da posio, especialmente nas longas fitas resultantes,” acrescentou.

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

Em concluso, os experimentos mostram que as caractersticas mais simples e fundamentais dos oligmeros e de seu ambiente podem fornecer a base para processos seletivos.

Mesmo em um sistema modelo simplificado, vrios mecanismos de seleo podem entrar em ao, os quais tm um impacto no crescimento da fita em diferentes escalas de comprimento e so o resultado de diferentes combinaes de fatores.

De acordo com Braun, esses mecanismos de seleo foram um pr-requisito para a formao 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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