Síntese Catalítica de Ácido Polirribonucleico em Vidros de Rocha Prebiótica
Resumo
São relatados aqui experimentos que mostram que trifosfatos de ribonucleosídeos são convertidos em ácido polirribonucleico quando incubados com vidros de rocha semelhantes aos provavelmente presentes 4,3 a 4,4 bilhões de anos atrás na superfície da Terra Hadeana, onde foram formados por impactos e vulcanismo. Este ácido polirribonucleico tem em média 100-300 nucleotídeos de comprimento, com uma fração substancial de ligações 3',-5'-dinucleotídeos. Análises químicas, incluindo métodos clássicos que foram usados para provar a estrutura do RNA natural, estabelecem uma estrutura de ácido polirribonucleico para esses produtos. O ácido polirribonucleico se acumulou e permaneceu estável por meses, com uma taxa de síntese de 2 × 10 −3 pmoles de trifosfato polimerizado a cada hora por grama de vidro (25°C, pH 7,5). Esses resultados sugerem que os polirribonucleotídeos estavam disponíveis para os ambientes Hadeanos se os trifosfatos estivessem. Como muitas propostas estão surgindo descrevendo como os trifosfatos podem ter sido feitos na Terra Hadeana, o processo observado aqui oferece uma importante etapa que falta em modelos para a síntese prebiótica de RNA.
1. Introdução
Um episódio inicial da vida na Terra provavelmente usou o RNA em papéis genéticos e catalíticos (o “Mundo do RNA”) (White, 1976 ; Gilbert, 1986 ). Isso sugere, mas não exige (Hud et al. , 2013 ), um “Modelo RNA-Primeiro” para a origem da vida na Terra, proposto há 60 anos por Alexander Rich (Rich, 1962 ).
No entanto, a estrutura do RNA, uma vez chamada de “pesadelo de um químico prebiótico” (Joyce e Orgel, 1999 ), é vista por muitos como complexa demais para ter surgido espontaneamente (Shapiro, 2007 ). Assim, um caso persuasivo para o RNA-First Model requer, no mínimo (Robertson e Joyce, 2012 ), uma demonstração experimental de um processo abiológico que forma moléculas de RNA oligoméricas com comprimentos suficientes para suportar a evolução darwiniana (Krishnamurthy, 2015 ), talvez 50-5000 nucleotídeos (Joyce, 2012 ). Além disso, este processo deve funcionar sem intervenção humana em um ambiente provável de ter sido encontrado durante o Hadeano.
As rochas disponíveis na superfície hadeana provavelmente foram impulsionadas pelo estado redox do manto hadeano, que provavelmente não estava longe dos valores modernos (Harrison, 2009 ; Trail et al. , 2011 ).
A superfície provavelmente foi retrabalhada pelo bombardeio que derreteu seus materiais principalmente máficos (basálticos e diabásicos) (Pierazzo e Melosh, 2000 ; Arndt e Nisbet, 2012 ; Mojzsis et al. , 2019 ). Isso, por sua vez, gerou silicatos criptocristalinos temperados com água e ar (em linguagem comum, vidros ) com a composição diversa da crosta inicial (Melosh, 1989 ).
À luz desse contexto geológico, perguntamos se os vidros máficos poderiam converter ribonucleosídeos 5'-trifosfatos em ácido polirribonucleico. Informamos aqui que podem.
2. Resultados
Amostras de vidro padrão, obtidas a partir de óxidos puros pelos métodos usados no United States Geological Survey (USGS), tinham a composição de andesito (AGV), basalto (BRP), gabro (GSM), diabásio (MRM) e nefelinita (NKT) (Le Maître et al. , 1989 ). As Tabelas Suplementares S1–S5 resumem suas composições. O pó de quartzo fundido foi usado como referência.
Amostras de vidro (22 mg) foram incubadas (pH 7,5, 25°C, 20 h) com água contendo uma mistura de todos os quatro ribonucleosídeos trifosfatos (NTPs 3 μM final cada, radiomarcador introduzido como [α- 32 P]GTP). Os sobrenadantes e eluatos obtidos por tratamento com ureia foram então recolhidos. A análise dos materiais dissolvidos em ambos, feita por eletroforese em gel de poliacrilamida desnaturante (PAGE), mostrou duas classes de produtos ( Fig. 1 ):
(a) Produtos de migração rápida, que foram entregues por todos os vidros. Estes resistiram à degradação de RNase ONE™ durante 18 h ( Fig. Suplementar S18 ), excluindo uma estrutura de ácido polirribonucleico linear ligado a 3',5' para estas espécies de migração rápida. Sua possível estrutura não é discutida aqui, mas espécies semelhantes foram vistas em outros trabalhos pioneiros (Rajamani et al. , 2008 ; Costanzo et al. , 2009 , 2016 ; Sponer et al. , 2016 ).
(b) Produtos de migração lenta, que eram produzidos por óculos BRP, GSM e MRM. Os outros vidros produziram menos deste material. O quartzo não produziu nenhum, e nenhum foi formado pela incubação de trifosfatos em água sem qualquer vidro ( Fig. Suplementar S8 e outros).
Para análises subsequentes, focamos em produtos encontrados nos sobrenadantes da reação de oligomerização em equilíbrio, deixando espécies potencialmente fortemente adsorvidas para estudos futuros.
Os produtos do tipo (b) também foram formados a partir de ATP, CTP, GTP e UTP incubados separadamente (3 μM, alfa 32P -label; Fig Suplementar S6 ). Mais uma vez, os óculos MRM e BRP forneceram estes em quantidades substanciais. Os vidros NKT e AGV foram menos produtivos. O quartzo era totalmente improdutivo ( Figs. Suplementares S7-S10 , painéis à direita).
Concentrando-se no vidro MRM “produtivo”, as quantidades de produtos radiomarcados de migração lenta aumentaram de forma constante com o tempo, ao longo dos dias ( Fig. 2 ). A incubação com maiores quantidades de NTPs (30–360 pmoles) aumentou as taxas de produção ( Fig. S3 suplementar ), sugerindo que os vidros atuam como verdadeiros catalisadores.
Para estabelecer a catálise, os experimentos foram executados por 20, 33 e 41 dias (pH 7,5, 25°C) com vidro MRM e todos os quatro NTPs (3 μM cada, com [α- 32 P]GTP) ( Fig. 2 ; Suplementar Fig. S4 ). Mesmo depois de meses, a síntese do material de migração lenta [produtos do tipo (b)] continuou. Acumulações semelhantes foram observadas para BRP e GSM. Novamente, os vidros NKT e AGV deram muito poucos produtos do tipo (b), e mais lentamente. O quartzo continuou a não produzir tais produtos, mesmo após meses ( Fig. S5 suplementar ).
A linearidade do processo ao longo do tempo e sua dependência do tipo específico de vidro excluem a “catálise superficial generalizada”. Esses e outros experimentos também excluem outros artefatos. Assim, a progressão do tempo exclui a possibilidade de que os materiais de alto peso molecular observados por PAGE sejam agregados não covalentes. Para excluir a possibilidade de que os vidros “vazaram”, espécies desconhecidas que retardaram artificialmente a eletroforese de RNA curto, rC 12 marcado com 5' e rA 12 foram incubados em sobrenadantes de vidro MRM previamente incubados em água por 6 meses, e eletroforese. Não foram produzidos produtos de migração lenta do tipo (b) ( Fig. S24 Suplementar ).
Várias avaliações independentes dos produtos de migração lenta confirmam que os nucleotídeos nos produtos do tipo (b) estavam ligados covalentemente. Especificamente, a mistura completa do produto do vidro MRM foi passada pelos ultrafiltros Amicon™ com limites de tamanho crescentes. A maioria dos produtos de alto peso molecular [tipo (b)] foram retidos por filtros de 30-50 kDa. Aproximadamente 25% foram retidos por filtros de 100 kDa ( Fig. 3 ). Isso corresponde ao que seria esperado de ácidos polirribonucleicos que têm um comprimento de 90 a 300 nucleotídeos.
Agregados não covalentes também foram excluídos realizando ultrafiltração na presença de ácido fórmico (0,005%, pH 3), etanol a 15% ou ambos. Alterar o pH e adicionar solventes orgânicos romperia agregados não covalentes unidos por ligações de hidrogênio e/ou forças hidrofóbicas ( Tabela 1 ). Isso também exclui ligações fosforamidita, onde o fosfato está ligado a uma base nitrogenada; tais ligações não são estáveis em pH baixo e não estariam disponíveis em nenhum caso para o ácido poliuridílico. Em seguida, 10 frações separadas que representavam todas as bandas do produto foram recuperadas dos géis e recorridas separadamente em PAGE. A mobilidade eletroforética de cada material não foi alterada ( Fig. Suplementar S15 ).
Amostra | Tratamento | Retido | Eluído | Total | Retido | Eluído |
---|---|---|---|---|---|---|
cpm | cpm | cpm | % | % | ||
Diabase | Água | 23,329 | 66,179 | 89,508 | 26.06 | 73.94 |
EtOH | 6247 | 55,503 | 61,750 | 10.12 | 89.88 | |
pH 3,0 | 12,669 | 76,100 | 88,769 | 14.27 | 85.73 | |
EtOH + pH 3,0 | 12,968 | 77,327 | 90,295 | 14.36 | 85.64 | |
Quartzo | Água | 12,390 | 53,172 | 65,562 | 18.90 | 81.10 |
EtOH | 2984 | 65,773 | 68,757 | 4.34 | 95.66 | |
pH 3,0 | 1969 | 64,870 | 66,839 | 2.95 | 97.05 | |
EtOH + pH 3,0 | 821 | 67,109 | 67,930 | 1.21 | 98.79 | |
Água | Água | 12,756 | 36,764 | 49,520 | 25.76 | 74.24 |
EtOH | 1499 | 49,222 | 50,721 | 2.96 | 97.04 | |
pH 3,0 | 872 | 46,775 | 47,647 | 1.83 | 98.17 | |
EtOH + pH 3,0 | 939 | 47,900 | 48,839 | 1.92 | 98.08 |
Além disso, quando os produtos de oligomerização foram analisados por PAGE com diferentes porcentagens ( Fig. Suplementar S11 ), os produtos de alto peso molecular se comportaram como esperado, rodando mais rápido em PAGE de baixa porcentagem e mais lento em PAGE de alta porcentagem. Em contraste, os produtos de baixo peso molecular seguiram a tendência oposta: sua migração diminuiu com o aumento porcentagem de gel. Este comportamento do tipo de ácido nucleico suporta ainda a nossa atribuição estrutural dos produtos de migração lenta, mas não dos produtos de migração rápida, como cadeias de ácido polirribonucleico ligadas covalentemente.
Reconhecendo a importância deste resultado para o “RNA-First Model” para a origem da vida, estabelecemos então que o material de alto peso molecular era um polímero de ribonucleotídeos. Essa prova de estrutura usou praticamente as mesmas ferramentas usadas para provar originalmente a estrutura do RNA natural há 70 anos.
Primeiro, o material de alto peso molecular [produtos do tipo (b)] foi obtido em grandes quantidades por uma incubação de 8 meses com vidro MRM com não radioativos. Isso foi classicamente analisado. Os precursores de nucleosídeos 5'-fosforilados residuais transportados da incubação foram primeiro removidos por tratamento de amostras com NaIO 4 (10 mM, 30 min, depois pinacol para remover o excesso de periodato; Muthukumaran et al. , 2005 ). Os materiais foram então digeridos com amoníaco concentrado (ver, por exemplo , análises de ligações responsáveis por hidrólise alcalina nas Figs. S12-S14 Suplementares ).
A mistura de produtos de hidrólise foi liofilizada e então resolvida por cromatografia líquida de alta eficiência de fase reversa (HPLC). HPLC mostrou que este material continha nucleosídeos 2'- e 3'-monofosfatos. Estes foram quantificados por espectroscopia UV e autenticados por comparação com padrões sintéticos ( Fig. 4 ; Figs. Suplementares 19-23 ; Tabela Suplementar S8 ).
A recuperação de monofosfatos 2' e 3'-nucleosídeos de produtos cuja única entrada nucleotídica era nucleosídeo 5'-fosfatos estabelece que o polímero envolveu uma nova ligação fosfodiéster entre dois nucleotídeos. Nenhuma outra estrutura de produto é responsável por esses dados.
Essa ligação deve ser um fosfodiéster entre o 5'-OH de um nucleotídeo (a ligação nucleosídeo-OP original) e o 3'-OH de outro, ou entre o 5'-OH de um nucleotídeo e o 2'-OH de outro. Esta experiência não distingue qual, à medida que a digestão de amoníaco do ácido polirribonucleico prossegue através de monofosfatos 2',3'-cíclicos de nucleósidos ( Fig. Suplementar S12 ). Assim, a proporção de nucleosídeos 2'- e 3'-monofosfatos é independente da proporção de ligações 2',5' e 3',5'-fosfodiéster no ácido polirribonucleico digerido. No entanto, esses produtos de monofosfato não podem ocorrer sem que o vidro tenha catalisado o ataque do 2'-OH ou do 3'-OH no alfa fosfato do trifosfato de partida. Esta observação é significativa independentemente de qual grupo hidroxila estava envolvido.
Para provar que o ácido polirribonucleico sintetizado em vidro tinha muitas ligações 3',5'-fosfodiéster, o ácido polirribonucleico produzido pela catálise do vidro foi digerido com várias enzimas ribonuclease que são específicas para ligações 3',5'. O tratamento com Ribonuclease ONE™ (Promega) não deixou material de alto peso molecular ( Fig. 5 ). Isso estabeleceu que o ácido polirribonucleico tipo (b) contém uma proporção substancial de ligações 3',5' entre ribonucleotídeos em uma estrutura linear. Esses dados não excluem, é claro, algumas ligações 2',5' ou algumas ramificações.
Expandindo este resultado, cada amostra de ácido polirribonucleico purificado em gel, bem como os materiais de baixo peso molecular, foi incubada separadamente com RNase ONE ( Figs. Suplementares S16 e S18 ), RNase A (CTP, UTP e amostras de NTPs mistos; Fig. S17 suplementar , painel esquerdo) e RNase T1 (amostras de GTP e NTPs mistos; Fig. S17 suplementar , painel direito). Todas as RNases digeriram os produtos de alto peso molecular, mas não os produtos de baixo peso molecular.
Em seguida, perguntamos com que rapidez o vidro MRM catalisava a formação de ácido polirribonucleico (métodos detalhados em Dados Suplementares ). O ácido polirribonucleico radiomarcado foi recolhido em intervalos de tempo e resolvido por PAGE ( Fig. 2 ). Contagem de cintilação quantificada em bandas cortadas do gel (contagens por minuto [cpm] normalizadas para cpm total carregada, atividade específica do trifosfato de partida e ajustada para decaimento). Os produtos foram analisados em nove bandas, abrangendo os oito produtos de migração rápida (não ácido polirribonucleico) e os produtos de migração lenta.
A taxa de incorporação de 32 P-GTP em ácido polirribonucleico (banda 1) foi de 2 × 10 −3 pmoles/hora por grama de vidro MRM; a taxa de incorporação na banda 8 ( não ácido polirribonucleico) foi de 4,9 × 10 −3 pmoles/hora por grama de vidro. Os vidros GSM e BRP apresentaram taxas de incorporação semelhantes para a banda 1 (∼0,6 e 1,8 × 10 −4 pmole/hora por grama de vidro). Os vidros NKT e AGV produziram taxas <10 −5 pmole/hora por grama de vidro. O pó de quartzo puro não produziu ácido polirribonucleico detectável.
A diversidade de sequências de ácido polirribonucleico foi então avaliada. Os produtos das incubações com vidro MRM foram analisados com diferentes combinações de trifosfatos: [α- 32 P]CTP sozinho, com ATP, com UTP, com GTP, com ATP e com UTP em misturas binárias, com ATP e GTP, GTP e UTP como misturas ternárias, e com todos os quatro trifosfatos de nucleosídeos. Combinações análogas foram examinadas com [α- 32P ]GTP, [α- 32P ]ATP e [α- 32P ]UTP. Todos os nucleótidos parecem incorporar bem ( Fig. Suplementar S10 ). GTP e CTP podem ser modestamente preferidos como substratos para a formação catalisada por MRM de sequências de ácido polirribonucleico. No entanto, essa preferência não é grande.
3. Discussão
Este estudo mostra que vários vidros de rocha máfica quase certamente presentes na superfície da Terra Hadeana catalisam a formação de ácido polirribonucleico em água a partir de trifosfatos de nucleosídeos. Tanto a eletroforese em gel quanto a ultrafiltração mostram que esse ácido polirribonucleico tem, em média, 90 a 150 nucleotídeos de comprimento. Moléculas de RNA desse comprimento são suficientemente longas para participar de vários processos laboratoriais que lembram o darwinismo baseado em RNA (Attwater et al. , 2013 ; Horning e Joyce, 2016 ; Joyce e Szostak, 2018 ; Horning et al. , 2019 ; Wachowius e Holliger, 2019 ).
Os experimentos de digestão enzimática provam que uma fração substancial das ligações no ácido polirribonucleico “prebiótico” são 3',5'. No entanto, esses experimentos não podem excluir a presença de ligações 2',5', nem alguma quantidade de ramificação. O mais surpreendente seria produtos em que as ligações não misturadas.
Não obstante, a robustez da função em polirribonucleotídeos com ambas as ligações continua sendo um importante ponto de discussão. Assim, Rohatgi et al. ( 1996 ) relataram que as ligações 2',5' no RNA de fita simples hidrolisam em pH 7 ~ 3 vezes mais rápido do que as ligações 3',5'. Outros sugeriram que as ligações 2',5' podem "curar" para ligações 3',5', ou ser formadas seletivamente devido a diferenças de pKa (Usher e McHale, 1976 ; Englehart et al. , 2013 ; Mariani e Sutherland, 2017 ).
Em qualquer caso, o processo é catalítico. A síntese de ácido polirribonucleico continua ao longo do tempo, os produtos se acumulam ao longo de meses e o processo não consome o vidro. Além disso, o processo ocorre sob condições em que o ácido polirribonucleico é estável, especialmente contra a depurinação (Mungi et al. , 2019 ). Dados cinéticos sugerem que uma pequena região de impacto na superfície hadeana contendo apenas algumas toneladas métricas de vidro fraturado e permeado de água poderia ter a capacidade de produzir cerca de um grama de RNA por dia, limitado (é claro) pelo fornecimento de trifosfatos.
Assim, a relevância prebiótica deste resultado depende muito da presença de trifosfatos de nucleosídeos nos campos de impacto hadeano. Modelos para criar partes e ligações dentro desses nucleosídeos, bem como trifosfatos de nucleosídeos completos, estão avançando em muitos laboratórios (Kim et al. , 2011 , 2016 ; Neveu et al. , 2013 ; Xu et al. , 2018 ; Becker et al. , 2019 ; Benner et al. , 2019 ; Castaneda et al. , 2019 ; Kawai et al. , 2019 ; Kim e Kim, 2019 ; Kim e Benner, 2021 ). Se os trifosfatos estivessem disponíveis, os vidros máficos na superfície da Terra Hadeana (e no Marte de Noé) poderiam fornecer uma peça que faltava no quebra-cabeça “RNA Primeiro”.
Contribuições dos autores
EB esteve envolvido na conceituação, metodologia, validação, análise formal, investigação, preparação do rascunho original, revisão e edição, visualização, supervisão e administração do projeto. A SAB esteve envolvida na conceituação, metodologia, análise formal, preparação do rascunho original, revisão e edição, visualização, supervisão, administração do projeto e aquisição de financiamento. SJM esteve envolvido na conceituação, recursos e revisão e edição. HJK esteve envolvido na metodologia e na análise formal. CAJ esteve envolvido na investigação e análise formal.
Agradecimentos
Agradecemos a Stephen A. Wilson (USGS) e Nigel M. Kelly (Universidade de Colorado Boulder; Bruker Nanoanalytics) pela assistência com os vidros de rocha, e Valerio Leone Sciabolazza (Universidade de Nápoles) pelas estatísticas de composição do vidro.
Disponibilidade de dados e materiais
Não houve restrições de materiais ou dados. Todos os dados estão disponíveis no texto principal ou Dados Suplementares .
Declaração de divulgação do autor
Não existem interesses financeiros concorrentes.
Informações de financiamento
O material é baseado em estudo apoiado pela NASA sob o prêmio nº 80NSSC18K1278. Quaisquer opiniões, descobertas e conclusões ou recomendações expressas neste material são de responsabilidade do(s) autor(es) e não refletem necessariamente as opiniões da Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço. Esta publicação também foi possível graças ao apoio de uma doação da John Templeton Foundation, 54466. As opiniões expressas nesta publicação são de responsabilidade dos autores e não refletem necessariamente as opiniões da John Templeton Foundation.
Material suplementar
Abreviaturas usadasAGV | andesito |
BRP | basalto |
cpm | conta por minuto |
GSM | gabro |
MRM | diabásio |
MWCO | corte de peso molecular |
NKT | nefelinita |
NTPs | trifosfatos de ribonucleosídeos. |
PÁGINA | eletroforese em gel de poliacrilamida |
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