Vida a partir de uma gota de chuva: Nova pesquisa sugere que a água da chuva ajudou a formar as primeiras paredes protocelulares
Uma das principais questões sem resposta sobre a origem da vida é como gotículas de RNA flutuando ao redor da sopa primordial se transformaram nos pacotes de vida protegidos por membrana que chamamos de células.

Um novo artigo da UChicago Pritzker School of Molecular Engineering, University of Houston Chemical Engineering Department e Chicago Center for the Origins of Life sugere que a água da chuva pode ter ajudado a criar uma parede reticulada ao redor das protocélulas há 3,8 bilhões de anos, um passo crítico na transição de pequenas esferas de RNA para cada bactéria, planta, animal e humano que já viveu. Crédito: UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / Peter Allen, Second Bay Studios
Uma das principais questões sem resposta sobre a origem da vida é como gotículas de RNA flutuando ao redor da sopa primordial se transformaram nos pacotes de vida protegidos por membrana que chamamos de células.
Um novo artigo de engenheiros da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago (UChicago PME), do Departamento de Engenharia Química da Universidade de Houston e biólogos do Departamento de Química da UChicago propôs uma solução.
No artigo, publicado na Science Advances, o pesquisador de pós-doutorado da UChicago PME Aman Agrawal e seus coautores — incluindo o reitor emérito da UChicago PME Matthew Tirrell e o biólogo ganhador do prêmio Nobel Jack Szostak — mostram como a água da chuva pode ter ajudado a criar uma parede reticular ao redor das protocélulas há 3,8 bilhões de anos, uma etapa crítica na transição de pequenas esferas de RNA para todas as bactérias, plantas, animais e humanos que já viveram.
"Esta é uma observação distinta e nova", disse Tirrell.
A pesquisa analisa "gotículas coacervadas" — compartimentos naturais de moléculas complexas como proteínas, lipídios e RNA. As gotículas, que se comportam como gotas de óleo de cozinha na água, há muito tempo são vistas como candidatas para as primeiras protocélulas. Mas havia um problema. Não era que essas gotículas não pudessem trocar moléculas entre si, um passo fundamental na evolução, o problema era que elas faziam isso muito bem e muito rápido.
Qualquer gotícula contendo uma nova mutação pré-vida potencialmente útil de RNA trocaria esse RNA com as outras gotículas de RNA em minutos, o que significa que elas rapidamente seriam todas iguais. Não haveria diferenciação nem competição — ou seja, nenhuma evolução.
E isso significa nenhuma vida.
"Se as moléculas forem trocadas continuamente entre gotículas ou entre células, todas as células depois de um curto período ficarão parecidas, e não haverá evolução porque você acabará com clones idênticos", disse Agrawal.
Projetando uma solução
A vida é interdisciplinar por natureza, então Szostak, diretor do Centro de Origens da Vida da UChicago em Chicago, disse que era natural colaborar tanto com a UChicago PME, a escola interdisciplinar de engenharia molecular da UChicago, quanto com o departamento de engenharia química da Universidade de Houston.
"Engenheiros têm estudado a química física desses tipos de complexos — e a química de polímeros de forma mais geral — por um longo tempo. Faz sentido que haja expertise na escola de engenharia", disse Szostak. "Quando estamos olhando para algo como a origem da vida, é tão complicado e há tantas partes que precisamos que pessoas se envolvam com qualquer tipo de experiência relevante."
No início dos anos 2000, Szostak começou a olhar para o RNA como o primeiro material biológico a ser desenvolvido. Ele resolveu um problema que há muito tempo impedia os pesquisadores de olhar para o DNA ou proteínas como as primeiras moléculas da vida.
"É como um problema do ovo e da galinha. O que veio primeiro?", disse Agrawal. "O DNA é a molécula que codifica informação, mas não pode fazer nenhuma função. As proteínas são as moléculas que desempenham funções, mas não codificam nenhuma informação hereditária."
Pesquisadores como Szostak teorizaram que o RNA veio primeiro, "cuidando de tudo", nas palavras de Agrawal, com proteínas e DNA evoluindo lentamente a partir dele.
"O RNA é uma molécula que, assim como o DNA, pode codificar informações, mas também se dobra como proteínas para poder desempenhar funções como a catálise", disse Agrawal.
O RNA era um provável candidato para o primeiro material biológico. Gotículas coacervadas eram prováveis candidatas para as primeiras protocélulas. Gotículas coacervadas contendo formas iniciais de RNA pareciam um próximo passo natural.
Isso ocorreu até Szostak jogar água fria nessa teoria, publicando um artigo em 2014 mostrando que o RNA em gotículas coacervadas era trocado muito rapidamente.
"Você pode fazer todos os tipos de gotículas de diferentes tipos de coacervados, mas eles não mantêm sua identidade separada. Eles tendem a trocar seu conteúdo de RNA muito rapidamente. Esse é um problema antigo", disse Szostak.
"O que mostramos neste novo artigo é que é possível superar pelo menos parte desse problema transferindo essas gotículas de coacervado para água destilada — por exemplo, água da chuva ou água doce de qualquer tipo — e elas criam uma espécie de película resistente ao redor das gotículas que as impede de trocar conteúdo de RNA."
'Uma combustão espontânea de ideias'
Agrawal começou a transferir gotículas de coacervato para água destilada durante sua pesquisa de Ph.D. na University of Houston, estudando seu comportamento sob um campo elétrico. Nesse ponto, a pesquisa não tinha nada a ver com a origem da vida, apenas estudando o fascinante material de uma perspectiva de engenharia.
"Engenheiros, particularmente Químicos e de Materiais, têm bom conhecimento de como manipular propriedades de materiais, como tensão interfacial, papel de polímeros carregados, sal, controle de pH, etc.", disse o Prof. Alamgir Karim da Universidade de Houston, antigo orientador de tese de Agrawal e coautor sênior do novo artigo. "Esses são todos aspectos-chave do mundo popularmente conhecido como 'fluidos complexos' — pense em xampu e sabonete líquido."
Agrawal queria estudar outras propriedades fundamentais dos coacervados durante seu doutorado. Não era a área de estudo de Karim, mas ele havia trabalhado décadas antes na Universidade de Minnesota com um dos maiores especialistas do mundo: Tirrell, que mais tarde se tornou reitor fundador da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago.
Durante um almoço com Agrawal e Karim, Tirrell levantou como a pesquisa sobre os efeitos da água destilada em gotículas de coacervado pode se relacionar com a origem da vida na Terra. Tirrell perguntou onde a água destilada teria existido há 3,8 bilhões de anos.
"Eu espontaneamente disse 'água da chuva!' Seus olhos brilharam e ele ficou muito animado com a sugestão", disse Karim. "Então, você pode dizer que foi uma combustão espontânea de ideias ou ideação!"

Embora a composição química exata das primeiras moléculas pré-biológicas e da chuva inicial permaneçam perdidas no tempo, o novo artigo do pesquisador de pós-doutorado da UChicago Pritzker School of Molecular Engineering, Aman Agrawal, descreve como tal transição poderia ter ocorrido. "Embora a química seja um pouco diferente, a física permanecerá a mesma", disse Agrawal. Crédito: UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / Aman Agrawal
Tirrell levou a pesquisa de água destilada de Agrawal para Szostak, que havia se juntado recentemente à Universidade de Chicago para liderar o que era então chamado de Origins of Life Initiative. Ele fez a mesma pergunta que havia feito a Karim.
"Eu disse a ele: 'De onde você acha que a água destilada poderia vir em um mundo pré-biótico?'", Tirrell lembrou. "E Jack disse exatamente o que eu esperava que ele dissesse, que era chuva."
Trabalhando com amostras de RNA de Szostak, Agrawal descobriu que transferir gotículas de coacervato para água destilada aumentou a escala de tempo da troca de RNA — de meros minutos para vários dias. Isso foi tempo suficiente para mutação, competição e evolução.
"Se você tem populações de protocélulas que são instáveis, elas trocarão seu material genético entre si e se tornarão clones. Não há possibilidade de evolução darwiniana", disse Agrawal. "Mas se elas se estabilizarem contra a troca para que armazenem suas informações genéticas bem o suficiente, pelo menos por vários dias, para que as mutações possam acontecer em suas sequências genéticas, então uma população pode evoluir."
Chuva, verificado
Inicialmente, Agrawal experimentou com água deionizada, que é purificada sob condições de laboratório. "Isso levou os revisores do periódico, que então perguntaram o que aconteceria se a água da chuva prebiótica fosse muito ácida", disse ele.
A água de laboratório comercial é livre de todos os contaminantes, não tem sal e vive com um pH neutro perfeitamente equilibrado entre base e ácido. Em suma, é o mais distante das condições do mundo real que um material pode chegar. Eles precisavam trabalhar com um material mais parecido com chuva de verdade.
O que é mais parecido com chuva do que chuva?
"Nós simplesmente coletamos água da chuva em Houston e testamos a estabilidade de nossas gotas nela, apenas para ter certeza de que o que estamos relatando é preciso", disse Agrawal.
Em testes com água da chuva real e com água de laboratório modificada para imitar a acidez da água da chuva, eles encontraram os mesmos resultados. As paredes reticuladas se formaram, criando as condições que poderiam ter levado à vida.
A composição química da chuva que caiu sobre Houston na década de 2020 não é a mesma que teria caído 750 milhões de anos após a formação da Terra, e o mesmo pode ser dito do sistema de protocélulas modelo testado por Agrawal.
O novo artigo prova que essa abordagem de construir uma parede reticular ao redor das protocélulas é possível e pode trabalhar em conjunto para compartimentar as moléculas da vida, colocando os pesquisadores mais perto do que nunca de encontrar o conjunto certo de condições químicas e ambientais que permitem que as protocélulas evoluam.
"As moléculas que usamos para construir essas protocélulas são apenas modelos até que moléculas mais adequadas possam ser encontradas como substitutas", disse Agrawal. "Embora a química seja um pouco diferente, a física permanecerá a mesma."
Mais informações: Aman Agrawal et al, A exposição de gotículas coacervadas à chuva as tornou as primeiras protocélulas estáveis?, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adn9657 . www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn9657
Informações do periódico: Science Advances