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Origem da vida: a evolução darwiniana começou antes da própria vida?
Antes do surgimento da vida na Terra, muitos processos físico-químicos em nosso planeta eram altamente caóticos.
Por Ludwig Maximilian University of Munich - 19/02/2021


Ligação modelada de 12-mers de DNA de sequência aleatória. (A) Antes da evolução das células, pensava-se que as primeiras ribozimas desempenhavam funções celulares básicas. No espaço de sequência exponencialmente vasto, o surgimento espontâneo de uma ribozima funcional é altamente improvável, portanto, os mecanismos de pré-seleção eram provavelmente necessários. (B) Em nosso experimento, as fitas de DNA hibridizam em baixas temperaturas para formar complexos tridimensionais que podem ser ligados e preservados nas etapas de dissociação de alta temperatura. O sistema se auto-seleciona para sequências com motivos específicos do local de ligação, bem como para fitas que continuam agindo como modelos. As sequências em grampo são, portanto, suprimidas. (C) A análise de concentração mostra filamentos progressivamente mais longos emergindo após vários ciclos de temperatura. A inserção (A-red, T-blue) mostra que, embora 12-meros (88, 009 fitas) têm sequências essencialmente aleatórias (brancas), vários padrões de sequência emergem em fitas mais longas (60-meros, 235.913 fitas analisadas). (D) Amostras submetidas a diferentes números (0 a 1.000) de ciclos de temperatura entre 75 ° C e 33 ° C. A quantificação da concentração é feita em PAGE com DNA pós-corado com SYBR. Crédito:Anais da National Academy of Sciences (2021). DOI: 10.1073 / pnas.2018830118

Um estudo feito por Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) em físicos de Munique demonstra que as características fundamentais das léculas mopoliméricas, como sua composição de subunidades, são suficientes para desencadear processos de seleção em um cenário prebiótico plausível.

Antes do surgimento da vida na Terra, muitos processos físico-químicos em nosso planeta eram altamente caóticos. Uma infinidade de pequenos compostos e polímeros de vários comprimentos, feitos de subunidades (como as bases encontradas no DNA e no RNA), estavam presentes em todas as combinações concebíveis. Antes que processos químicos semelhantes à vida pudessem surgir, o nível de caos nesses sistemas teve de ser reduzido. Em um novo estudo, os físicos LMU liderados por Dieter Braun mostram que as características básicas de polímeros simples, juntamente com certos aspectos do ambiente pré-biótico, podem dar origem a processos de seleção que reduzem a desordem.

Em publicações anteriores, o grupo de pesquisa de Braun explorou como a ordem espacial poderia ter se desenvolvido em câmaras estreitas e cheias de água em rochas vulcânicas porosas no fundo do mar. Esses estudos mostraram que, na presença de diferenças de temperatura e de um fenômeno convectivo conhecido como efeito Soret, os filamentos de RNA poderiam ser acumulados localmente em várias ordens de magnitude de uma maneira dependente do comprimento. “O problema é que as sequências de bases das moléculas mais longas obtidas são totalmente caóticas”, diz Braun.

As ribozimas evoluídas (enzimas baseadas em RNA) têm uma sequência de bases muito específica que permite que as moléculas se dobrem em formas particulares, enquanto a grande maioria dos oligômeros formados na Terra Primitiva provavelmente tinham sequências aleatórias. "O número total de possíveis sequências de base, conhecido como 'espaço de sequência", é incrivelmente grande ", diz Patrick Kudella, primeiro autor do novo relatório." Isso torna praticamente impossível montar as estruturas complexas características de ribozimas funcionais ou comparáveis moléculas por um processo puramente aleatório. "Isso levou a equipe do LMU a suspeitar que a extensão das moléculas para formar 'oligômeros' maiores estava sujeita a algum tipo de mecanismo de pré-seleção.

Na época da origem da vida, havia apenas alguns processos físicos e químicos muito simples em comparação com os sofisticados mecanismos de replicação das células, de modo que a seleção de sequências deve ser baseada no ambiente e nas propriedades dos oligômeros. É aí que entra a pesquisa do grupo de Braun. Para a função catalítica e estabilidade dos oligômeros, é importante que eles formem fitas duplas como a conhecida estrutura helicoidal do DNA. Esta é uma propriedade elementar de muitos polímeros e permite complexos com partes de fita simples e dupla. As partes de fita simples podem ser reconstruídas por dois processos. Primeiro, pela chamada polimerização, em que os fios são completados por bases simples para formar os fios duplos completos. A outra é pelo que é conhecido como ligadura. Nesse processo, oligômeros mais longos são unidos.
 
"Nosso experimento começa com um grande número de fitas curtas de DNA, e em nosso sistema modelo para os primeiros oligômeros, usamos apenas duas bases complementares, adenina e timina", diz Braun. "Assumimos que a ligação de fitas com sequências aleatórias leva à formação de fitas mais longas, cujas sequências de bases são menos caóticas." O grupo de Braun então analisou as misturas de sequências produzidas nesses experimentos usando um método que também é usado na análise do genoma humano. O teste confirmou que a entropia da sequência, ou seja, o grau de desordem ou aleatoriedade dentro das sequências recuperadas, foi de fato reduzida nesses experimentos.

Os pesquisadores também foram capazes de identificar as causas dessa ordem "autogerada". Eles descobriram que a maioria das sequências obtidas se enquadrava em duas classes - com composições de base de 70% de adenina e 30% de timina ou vice-versa. "Com uma proporção significativamente maior de uma das duas bases, o fio não pode dobrar sobre si mesmo e permanece como um parceiro de reação para a ligadura", explica Braun. Assim, dificilmente quaisquer fios com metade de cada uma das duas bases são formados na reação. "Também vemos como pequenas distorções na composição do pool de DNA curto deixam padrões distintos de motivos dependentes da posição, especialmente em longas fitas de produto", disse Braun. O resultado surpreendeu os pesquisadores, pois um fio de apenas duas bases diferentes com uma relação de base específica tem maneiras limitadas de se diferenciar.

Os experimentos mostram que as características mais simples e fundamentais dos oligômeros e de seu ambiente podem fornecer a base para processos seletivos. Mesmo em um sistema de modelo simplificado, vários mecanismos de seleção podem entrar em ação, os quais têm impacto no crescimento do fio em diferentes escalas de comprimento e são o resultado de diferentes combinações de fatores. De acordo com Braun, esses mecanismos de seleção eram um pré-requisito para a formação de complexos cataliticamente ativos, como as ribozimas, e, portanto, desempenhavam um papel importante no surgimento da vida do caos.

 

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