Pesquisadores descobriram um cenário evolutivo plausível no qual os ácidos nucleicos — os blocos de construção genéticos fundamentais da vida — poderiam permitir sua própria replicação, possivelmente levando à vida na Terra.

O estudo, publicado hoje como um Reviewed Preprint na eLife , foi descrito pelos editores como um trabalho importante com evidências convincentes para mostrar como uma configuração geofísica simples de fluxo de gás sobre um canal estreito de água pode criar um ambiente físico que leva à replicação de ácidos nucleicos. O trabalho será de interesse para cientistas que trabalham na origem da vida e, mais amplamente, em ácidos nucleicos e aplicações de diagnóstico.

O surgimento da vida na Terra ainda é um quebra-cabeça não resolvido, mas uma teoria comum é que a replicação do material genético — os ácidos nucleicos DNA e RNA — foi um processo central e crítico. As moléculas de RNA podem armazenar informações genéticas e catalisar sua própria replicação por meio da formação de hélices de fita dupla. A combinação dessas habilidades permite que elas sofram mutação, evoluam e se adaptem a diversos ambientes e, por fim, codifiquem os blocos de construção proteicos da vida.

Para que isso aconteça, as fitas de RNA precisam não apenas se replicar em uma forma de fita dupla, mas também se separar novamente para completar o ciclo de replicação. A separação das fitas, no entanto, é uma tarefa difícil nas altas concentrações de sal e ácido nucleico necessárias para a replicação.

"Vários mecanismos foram estudados quanto ao seu potencial de separar cadeias de DNA na origem da vida, mas todos eles exigem mudanças de temperatura que levariam à degradação dos ácidos nucleicos", diz o autor principal Philipp Schwintek, aluno de doutorado em Biofísica de Sistemas na Ludwig-Maximilians-Universität München, Munique, Alemanha.

A equipe construiu um modelo de laboratório do poro da rocha apresentando um fluxo ascendente de água evaporando em uma intersecção com um fluxo perpendicular de gás, o que leva a um acúmulo de moléculas de gás dissolvidas na superfície. Ao mesmo tempo, o fluxo de gás induz correntes circulares na água, forçando as moléculas de volta ao volume. Para entender como esse modelo afetaria os ácidos nucleicos no ambiente, eles usaram esferas para monitorar a dinâmica do fluxo de água e então rastrearam o movimento de fragmentos curtos de DNA marcados com fluorescência.

"Nossa expectativa era que a evaporação contínua levaria a um acúmulo de fitas de DNA na interface", diz Schwintek. "De fato, descobrimos que a água evaporava continuamente na interface, mas os ácidos nucleicos na face aquosa se acumulavam perto da interface gás/água." Cinco minutos após o início do experimento, houve um acúmulo triplo de fitas de DNA, enquanto que após uma hora, havia 30 vezes mais fitas de DNA acumuladas na interface.

Embora isso sugira que a interface gás/água permite uma concentração suficiente de ácidos nucleicos para que a replicação ocorra, a separação das fitas duplas de DNA também é necessária. Normalmente, uma mudança na temperatura é necessária, mas quando a temperatura é constante, mudanças na concentração de sal são necessárias.

"Nós levantamos a hipótese de que o fluxo circular de fluido na interface fornecido pelo fluxo de gás, juntamente com a difusão passiva, impulsionaria a separação dos filamentos forçando os ácidos nucleicos através de áreas com diferentes concentrações de sal", explica o autor sênior Dieter Braun, professor de Biofísica de Sistemas na Ludwig-Maximilians-Universität München.

Para testar isso, eles usaram um método chamado espectroscopia FRET para medir a separação de fitas de DNA — um sinal FRET alto mostra que as fitas de DNA ainda estão ligadas, enquanto um FRET baixo indica que as fitas estão separadas. Como previsto, o sinal FRET aumentou inicialmente perto da interface gás-água, indicando a formação de DNA fita dupla. Mas ao longo do experimento, onde havia um fluxo ascendente de água, o sinal FRET foi baixo — indicando DNA fita simples.

Além disso, quando a equipe sobrepôs esses dados com sua simulação do fluxo de água e concentrações de sal, eles descobriram que o vórtice na interface gás-água causou mudanças de até três vezes mais nas concentrações de sal, potencialmente capazes de causar a separação dos fios.

Embora ácidos nucleicos e sais tenham se acumulado perto da interface gás-água, na maior parte da água as concentrações de sal e ácidos nucleicos permaneceram extremamente baixas. Isso levou a equipe a testar se a replicação de ácidos nucleicos poderia realmente acontecer neste ambiente, adicionando ácidos nucleicos marcados com um corante fluorescente e uma enzima que pode sintetizar DNA fita dupla no modelo de laboratório do poro da rocha. Ao contrário das reações normais de síntese de DNA de laboratório, a temperatura foi mantida em uma temperatura constante e a reação foi, em vez disso, exposta ao influxo combinado de água e gás.

Após duas horas, o sinal fluorescente aumentou, indicando um número maior de moléculas de DNA fita dupla replicadas. No entanto, quando o influxo de gás e água foi desligado, nenhum aumento nos sinais de fluorescência foi observado e, portanto, nenhum aumento no DNA fita dupla foi visto.

"Neste trabalho, investigamos um ambiente geológico plausível e abundante que poderia desencadear a replicação da vida primitiva", conclui Braun. "Consideramos um cenário de gás fluindo sobre um poro de rocha aberto cheio de água, sem nenhuma mudança de temperatura, e descobrimos que o fluxo combinado de gás e água pode desencadear flutuações de sal que dão suporte à replicação do DNA.

"Como essa é uma geometria muito simples, nossas descobertas ampliam muito o repertório de ambientes potenciais que poderiam permitir a replicação em planetas primitivos."