Bioquímicos discutem se o fim da era do RNA está chegando

Durante décadas, a teoria da origem da vida com o RNA no papel principal ocupou uma posição de liderança. Novas pesquisas podem abalar a confiança na origem da vida com base nessa teoria.

Uma teoria popular afirma que a vida veio de uma sopa rica em produtos químicos na qual o RNA começou a se reproduzir. Mas uma combinação de peptídeos e RNA pode ser mais eficaz

Quatro bilhões de anos atrás, circulando na sopa química pré-histórica da Terra, os primeiros precursores moleculares da vida apareceram. Embora a definição exata dessas moléculas continue sendo um tópico de debate irritado, os cientistas concordam que essas moléculas precisavam realizar duas ações principais: salvar informações e catalisar reações químicas. As células modernas transferem esses poderes, respectivamente, para o DNA e suas proteínas - mas, de acordo com a explicação popular prevalecente nos estudos modernos sobre a origem dos livros didáticos de vida e biologia, o RNA foi o primeiro a desempenhar esse papel, abrindo caminho para o DNA e as proteínas que assumiram essas funções posteriormente.

Essa hipótese, proposta na década de 1960 e apelidada de " mundo do RNA " duas décadas depois, agora é considerada a explicação mais provável para o início da vida. Também existem "mundos" alternativos suficientes, mas geralmente são considerados teorias de reserva, vôos ilusórios da imaginação e experimentos de pensamento bizarros.

Principalmente porque a hipótese mundial do RNA é apoiada por um grande número de evidências experimentais do que seus concorrentes obtiveram. No mês passado, relatamos uma teoria alternativa , segundo a qual moléculas semelhantes a proteínas poderiam ser as primeiras moléculas de auto-reprodução em vez de RNA. Mas essas descobertas foram puramente computacionais - então os pesquisadores estavam apenas começando experimentos em busca de evidências em favor de suas afirmações.

Agora, alguns pesquisadores apresentaram outra teoria - desta vez envolvendo a evolução conjunta de RNA e peptídeos - que, eles esperam, pode abalar as bases do mundo do RNA.

Por que o RNA estava ausente

Trabalhos recentes publicados nos periódicos Biosystems e Molecular Biology and Evolution descrevem esquematicamente evidências de que a hipótese mundial do RNA não fornece evidências suficientes para eventos evolutivos subsequentes. Em vez disso, diz Charles Carter , biólogo estrutural da Universidade da Carolina do Norte, um dos autores do trabalho, seu modelo faz uma proposta adequada. "Nunca um único polímero poderia executar todos os processos necessários para o que agora é caracterizado por nós como parte da vida", acrescenta ele.


Charles Carter, Biólogo Estrutural, Universidade da Carolina do Norte

E esse polímero único não poderia ser RNA, de acordo com estudos realizados por sua equipe. A principal objeção a essa molécula é a catálise : alguns estudos mostraram que, para que a vida começasse a funcionar, o polímero misterioso precisava ser capaz de coordenar a taxa de reações químicas que podem ocorrer com velocidades variando em magnitude em 20 ordens de magnitude. Mesmo que o RNA de alguma forma tenha conseguido fazer isso no mundo pré-biológico, suas capacidades como catalisador deveriam ter se adaptado às temperaturas de queima - da ordem de 100 ° C - que prevaleciam no início da Terra. Quando o planeta começou a esfriar, o RNA, segundo Carter, não podia evoluir e manter a sincronização ainda mais. Uma sinfonia de reações químicas logo desmoronaria.

Muito provavelmente, o mais importante, o mundo apenas com RNA não explica a aparência do código genético que a grande maioria dos organismos vivos usa hoje para transferir informações genéticas para proteínas. O código pega cada uma das 64 possíveis sequências de RNA trinucleotídico e as combina com um dos 20 aminoácidos usados ​​para criar as proteínas. Escolher um conjunto de regras confiáveis ​​o suficiente para realizar tal tarefa levaria muito tempo apenas para o RNA, diz Peter Wills, co-autor de Carter da Universidade de Auckland, na Nova Zelândia - se o mundo do RNA pudesse alcançar um estado que parece improvável para ele. Do ponto de vista de Wills, o RNA poderia se tornar um catalisador para sua própria formação, o que o tornaria "quimicamente reflexivo", mas carecia de "reflexividade computacional".


Peter Wills, biofísico da Universidade de Auckland, na Nova Zelândia

"Um sistema que usa informações da maneira como os organismos usam informações genéticas - para sintetizar seus próprios componentes - deve conter informações reflexivas", disse Wills. Informações reflexivas, por sua definição, são aquelas que "sendo codificadas no sistema, criam componentes que realizam essa decodificação específica". O RNA da hipótese do mundo do RNA, acrescentou, é uma química simples porque é incapaz de controlar sua química. "O mundo do RNA não diz nada sobre genética", disse ele.

A natureza precisava encontrar outra maneira, o melhor atalho para criar o código genético. Carter e Wills acreditam que abriram esse atalho. Depende de um pequeno ciclo de feedback que não cresceria apenas a partir do RNA, mas poderia emergir de um complexo de peptídeos e RNA.

Trazendo peptídeos para os negócios

Carter encontrou indícios desse complexo em meados da década de 1970, quando soube no instituto que certas estruturas encontradas na maioria das proteínas são "destros". Os átomos nas estruturas podem ser organizados de duas maneiras equivalentes, que são especularmente diferentes uma da outra, mas todas as estruturas usam apenas um método. A maioria dos ácidos nucleicos que compõem o DNA e o RNA também são destros. Carter começou a considerar RNAs e polipeptídeos como estruturas complementares e modelou um complexo no qual "eles foram criados um para o outro, como uma mão e uma luva".

Isto implica a possibilidade de codificação elementar, a base para a troca de informações entre RNA e polipeptídeos. Ele trabalhou em esboços de como esse processo poderia parecer, extrapolando de um código genético moderno e muito mais complexo. Quando a hipótese, chamada de "mundo do RNA" em 1986, ganhou popularidade, Carter, como ele admitiu, estava fora do comum. Pareceu-lhe que seu mundo de peptídeos e RNA, proposto dez anos antes, havia sido completamente ignorado.

Desde então, ele, Wills e outros têm colaborado em uma teoria que retorna a esse estudo. Seu principal objetivo era deduzir o código genético mais simples que precede o moderno, mais específico e complexo. Portanto, eles se voltaram não apenas para cálculos, mas também para genética.

Sua teoria é baseada em 20 moléculas de "carga", aminoacil-tRNA sintetases . Essas enzimas catalíticas permitem que o RNA se ligue a certos aminoácidos de acordo com as regras do código genético. "Em certo sentido, o código genético está escrito nas características dos pontos ativos" dessas enzimas, diz Jenny Hofmeir, bioquímica da Universidade Stellenbosch, na África do Sul, que não participou do estudo.

Estudos anteriores mostraram que 20 enzimas podem ser igualmente divididas em dois grupos de 10 partes, com base em sua estrutura e sequências. Essas duas classes de enzimas têm certas seqüências que codificam aminoácidos mutuamente exclusivos - ou seja, essas enzimas deveriam ter surgido das cadeias complementares de um gene antigo. Carter, Wills e colegas descobriram que, nesse caso, o RNA codifica peptídeos usando um conjunto de apenas duas regras (ou, em outras palavras, usa dois tipos de aminoácidos). Os peptídeos resultantes mantiveram as mesmas regras que governam o processo de transmissão, o que cria um loop de feedback importante para essa teoria.


Mundo peptídeo RNA

A vida poderia emergir da interação do RNA e peptídeos que agiam como o primeiro código genético. Um loop de reação auto-sustentável criaria enzimas escolhendo apenas dois tipos de aminoácidos em vez dos 20 tipos encontrados nas proteínas modernas.

1) "Enzimas de carga" coincidem com as seqüências de bases no RNA e ajudam a criar cadeias de peptídeos a partir dos aminoácidos ligados da primeira classe (vermelha) e segunda (verde)
2) As cadeias peptídicas se dobram em formas funcionais
3) Dependendo do formato da cadeia, os aminoácidos da primeira ou da segunda classe são selecionados e se tornam enzimas de carga ativa.
4) As enzimas interagem com o RNA e fornecem aminoácidos às cadeias formadoras

Teorema de Gödel e a química da vida

Carter vê muitas semelhanças entre esse laço e o laço na matemática descrita pelo filósofo e matemático Kurt Gödel , cujo teorema da incompletude postula que declarações que não podem ser provadas ou refutadas pelo próprio sistema aparecerão necessariamente em qualquer sistema lógico. "Acredito que a analogia com o teorema de Godel fornece um argumento bastante forte para a inevitabilidade", disse Carter.

Em trabalhos recentes, Carter e Wills mostram que seu mundo de peptídeos de RNA resolve problemas com lacunas na história da origem da vida que apenas um RNA é incapaz de explicar. "Eles fornecem evidências teóricas e experimentais confiáveis ​​de que RNA e peptídeos estão envolvidos na geração do código genético desde o início", disse Hofmeir, "e que o metabolismo, criação através da cópia, transmissão e reprodução, deve ter evoluído juntos".



Obviamente, o modelo de Carter-Wills começa com um código genético, cuja existência envolve reações químicas complexas, que incluem moléculas como RNA de transporte e enzimas de carga. Os pesquisadores afirmam que nos eventos anteriores ao cenário proposto, a interação de RNA e peptídeos estava envolvida. No entanto, essa suposição deixa muitas questões em aberto sobre como essa química começou e como ela parecia.

Para responder a essas perguntas, existem muitas teorias que vão muito além do mundo do RNA. Alguns cientistas adotam a abordagem oposta à de Carter e Wills: acreditam que os estágios iniciais do desenvolvimento da vida não se assemelham necessariamente à química que existe hoje. Doron Lancet , pesquisador de genoma do Instituto Wizman de Ciência em Israel, oferece uma teoria alternativa baseada na montagem de lipídios que catalisa a entrada e saída de várias moléculas. A informação é transmitida não por sequências genéticas, mas por composições lipídicas.

Como o modelo de Carter-Wills, a idéia do Lancet inclui não um tipo de molécula, mas um grande número deles. "Mais e mais evidências estão sendo reunidas", diz Lancet, "capazes de confirmar essa hipótese alternativa". Até agora, os cientistas não decidiram o que exatamente aconteceu nas origens da vida, mas, aparentemente, estão começando a se afastar de uma história na qual havia exclusivamente um RNA. "Só precisamos colocar alguns ovos na cesta de RNA", disse Hofmeir.