As condições que podem ter desencadeado a vida na Terra
2 de outubro de 2024
Os cientistas acreditam que estão a começar a compreender as condições que originaram a vida na Terra , demonstrando em laboratório uma multiplicação massiva de ADN em poucos minutos.
Há mais de 4 mil milhões de anos, os compostos químicos juntaram-se para formar a vida .
Este evento ocorreu quando a Terra era muito jovem – apenas algumas
centenas de milhões de anos. Na época, a Terra estava sendo bombardeada
por asteroides. Grande parte da superfície estava derretida. Esta
primeira parte da história do nosso planeta é apropriadamente chamada de
Hadean, em homenagem ao antigo deus grego dos mortos e rei do submundo.
Conceito
artístico mostrando como a superfície da Terra apareceu durante o éon
Hadeano. Crédito: Stocktrek Images / Stocktrek Images / Getty Images
Plus.
Mas o Hadeano também viu o desenvolvimento – depois que a Terra
esfriou – da nossa atmosfera e dos oceanos. Foi nestes primeiros oceanos
que os cientistas teorizam que a “sopa primordial” de compostos
químicos à base de carbono se reuniu pela primeira vez para formar os
blocos de construção da vida.
Quais condições permitiram que esse processo ocorresse permaneceram um mistério.
Uma nova pesquisa publicada na revista eLife descreve evidências que sugerem que um simples cenário geofísico poderia ter levado aos blocos de construção da vida.
Um fluxo de gás através de um canal estreito de água pode criar um
ambiente físico, dizem os investigadores, que leva à replicação de
ácidos nucleicos – as biomoléculas de armazenamento de informação que
constituem o ADN e o ARN.
A vida não precisa apenas da replicação do ácido nucléico. Também
exige que as cadeias de ARN se separem novamente após o processo de
replicação – algo que é difícil dadas as condições necessárias para a
replicação em primeiro lugar.
“Vários mecanismos foram estudados quanto ao seu potencial para
separar cadeias de DNA na origem da vida, mas todos eles exigem mudanças
de temperatura que levariam à degradação dos ácidos nucléicos”, diz o
autor principal Philipp Schwintek, Ph.D. estudante da
Ludwig-Maximilians-Universität München, Alemanha.
“Investigamos um cenário geológico simples e onipresente, onde o
movimento da água através de um poro da rocha era seco por um gás que
percolava através da rocha para chegar à superfície”, explica Schwintek.
“Tal cenário seria muito comum em ilhas vulcânicas da Terra primitiva,
que ofereciam as condições secas necessárias para a síntese de RNA.”
Replicação
na interface gás-água. Consideramos um cenário geológico em que a água,
contendo biomoléculas, é evaporada por um fluxo de gás na escala de
milímetros. Nas rochas vulcânicas porosas, muitas dessas configurações
podem ser imaginadas. O fluxo de gás induz correntes convectivas de água
e faz com que ela evapore. Os ácidos nucleicos e sais dissolvidos
acumulam-se na interface gás-água devido às correntes interfaciais,
mesmo que o influxo vindo de baixo seja água pura. Através do vórtice
induzido, os ácidos nucleicos passam por diferentes concentrações de
sal, promovendo a separação das cadeias e permitindo-lhes replicar-se
exponencialmente. Nossos experimentos replicam esse ambiente em
microescala, submetendo um volume de amostra definido a um influxo
contínuo de água pura com um fluxo de ar passando. Crédito: eLife
(2024). DOI: 10.7554/eLife.100152.1
A equipe descobriu o processo construindo um modelo de laboratório de
um cenário antigo na Terra com poros rochosos, fluxo de água e fluxo de
gás.
Eles encontraram um acúmulo de fitas de DNA na interface entre a água e o gás.
Em 5 minutos, havia 3 vezes mais DNA do que no início do experimento.
Depois de uma hora, a quantidade de DNA se multiplicou por 30.
quinta-feira, 9 de junho de 2022
Síntese Catalítica de Ácido Polirribonucleico em Vidros de Rocha Prebiótica
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 ):
FIGO. 1. Polimerização de NTPs em vidro diabase. Incubação de todos os quatro trifosfatos de nucleosídeos (3 μM cada, com [α- 32 P]
GTP) em cinco tipos de vidro (22 mg) por 20 h, 25°C. Os sobrenadantes
da reação (Sup) e as lavagens de ureia (ureia) para cada vidro foram
carregados em um PAGE desnaturante a 20%. H 2 O: reação de controle na ausência de vidro. NEPETop - OH:
hidrólise alcalina parcial de uma molécula de RNA 14-mer. Os tamanhos
em nucleotídeos estão à esquerda. AGV, andesito; BRP, basalto; GSM,
gabro; MRM, diabásio; NKT, nefelinita.
(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.
FIGO. 2. Tempo de polimerização de trifosfato em vidro diabase. Esquerda: Curso de tempo seguido por PAGE (20%, 7 M de ureia) usando [α- 32 P]GTP
marcado. Os tempos de incubação nas pistas são indicados como minutos
(′) e horas (h). As escadas são de hidrólise parcial de um RNA marcado
com 5' 14-mer (esquerda) e 31-mer (direita); comprimentos de fragmentos
estão em nucleotídeos. Os números codificados por cores correspondem ao
gráfico, mostrando o cpm incorporado em função do tempo para as 10
bandas. As velocidades iniciais em pmoles/min refletem o material
formado por miligrama de vidro, calculado a partir da atividade
específica do GTP marcado. As leituras de contagem de cintilação foram
realizadas em triplicado para cada banda em experimentos cinéticos
duplicados. As barras de erro representam a média de seis valores. cpm,
contagens por minuto.
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.
FIGO. 3. Ultrafiltração
do ácido polirribonucleico formado no diabase. São mostrados o material
de partida (S), eluatos de filtro (E) e retentados de filtro (R) com
filtros MWCO crescentes. K = kDa. NEPETop e 31RA: hidrólise alcalina
parcial de moléculas de RNA 14-mer e 31-mer. Os tamanhos em nucleotídeos
estão nas laterais. Vinte por cento PAGE, 7M de ureia. MWCO, corte de
peso molecular.
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 ).
Tabela 1. Ultrafiltração de Ácidos Polirribonucleicos Feitos em Diabase
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
Os valores em negrito destacam o material retido acima dos filtros.
O texto em negrito destaca o tratamento com ambos os agentes desagregadores.
Cpm
de radiação e porcentagens (%) de radiação em material retido e eluído
em NTPs incubados com diabase, quartzo ou água após tratamento com
vários agentes desagregantes seguido de ultrafiltração através de
filtros MWCO de 10 kDa.
cpm = contagens por minuto; EtOH = etanol; MWCO = corte de peso molecular; NTPs = trifosfatos de ribonucleosídeos.
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 ).
FIGO. 4. HPLC 3D-Diode Array de produtos obtidos por hidrólise de amônia de ácido polirribonucleico sintetizado em vidro diabase. (A) Produtos hidrolisados de oligomerização para ácido polirribonucleico feito de todos os quatro nucleotídeos padrão. (B) Mistura
de controle de monofosfato de 2' e 3'-nucleotídeo. As atribuições de
pico foram confirmadas por corridas de HPLC de NMPs tratadas e não
tratadas e por perfis de espectro correspondentes para controlos e
amostras ( Figs. Suplementares S19 e S20 ,
e dados não apresentados). O maior pico em [A] correndo em ~6 min,
resultante da degradação do material de entrada de ATP, mascara os picos
de 2' e 3'UMP. A presença de linhas correspondentes aos picos de UMP
pode ser detectada na vista 3D ( Fig. Suplementar S22 ) e foi confirmada com a análise de reações de oligomerização de UTP de um único nucleótido ( Fig. Suplementar S23 ). Os picos da extrema esquerda em [A] vêm de nucleosídeos de anel aberto residuais de HPLC anterior (seção de Métodos em Dados ; Fig. Suplementar S19 ). As vistas inclinadas para a direita e frontais são mostradas em Figura Suplementar S21 . Sombreamento de cor é adicionado para dar ênfase.
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.
FIGO. 5. Digestões
Ribonuclease ONE™ de ácido poyribonucleico em forma de vidro de
diabase. Curso de tempo de digestões Ribonuclease ONE de produtos de
oligomerização em diabase para trifosfatos de nucleotídeo único (A, C,
G, U) e uma mistura dos quatro (NTPs). NEPETop e 31RA: hidrólise
alcalina parcial de moléculas de RNA 14-mer e 31-mer. Os tamanhos em
nucleotídeos estão nas laterais. Vinte por cento PAGE, 7 M de ureia.
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
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Os "óculos" vulcânicos ajudaram a desencadear a vida precoce?
Lava extinta pode ter ajudado a formar longas cadeias de RNA necessárias para organismos primordiais
09 de junho de 2022
O vidro vulcânico, como o encontrado perto da Lagoa Azul da Islândia, pode ajudar a tricotar letras de RNA em longos fios. Suranga Weeratuna/Alamy Stock Photo
Quando a vida
surgiu, foi tão rápido. Os fósseis sugerem que os micróbios estavam
presentes há 3,7 bilhões de anos, apenas algumas centenas de milhões de
anos depois que o planeta de 4,5 bilhões de anos esfriou o suficiente
para suportar a bioquímica, e muitos pesquisadores pensam que o material
hereditário para esses primeiros organismos era o RNA.
Embora não seja
tão complexo quanto o DNA, o RNA ainda seria difícil de forjar nas
longas cadeias necessárias para transmitir informações genéticas,
levantando a questão de como ele poderia ter se formado espontaneamente.
Agora, os pesquisadores podem
ter uma resposta. Em experimentos de laboratório, eles mostram como
rochas chamadas de vidros basálticos ajudam letras individuais de RNA,
conhecidas como trifosfatos de nucleosídeos, a se ligarem em cadeias de
até 200 letras. Os vidros teriam sido abundantes no fogo e enxofre da
Terra primitiva; eles são criados quando a lava é extinta no ar ou na
água ou quando a rocha derretida criada em ataques de asteroides esfria
rapidamente.
O resultado dividiu os
principais pesquisadores da origem da vida. “Esta parece ser uma
história maravilhosa que finalmente explica como os trifosfatos de
nucleosídeos reagem uns com os outros para dar cadeias de RNA”, diz
Thomas Carell, químico da Universidade Ludwig Maximilian de Munique.
Mas Jack Szostak, especialista em RNA da Universidade de Harvard, diz
que não acreditará no resultado até que a equipe de pesquisa caracterize
melhor as fitas de RNA.
Os pesquisadores da origem da
vida gostam de um “mundo de RNA” primordial porque a molécula pode
realizar dois processos distintos vitais para a vida. Como o DNA, é
composto de quatro letras químicas que podem carregar informações
genéticas. E como as proteínas, o RNA também pode catalisar reações
químicas necessárias para a vida.
Mas o RNA também traz dores de
cabeça. Ninguém encontrou um conjunto de condições prebióticas
plausíveis que fariam com que centenas de letras de RNA – cada uma delas
moléculas complexas – se ligassem em filamentos longos o suficiente
para sustentar a química complexa necessária para desencadear a
evolução.
Stephen Mojzsis, geólogo do Centro de Pesquisa em Astronomia e Ciências da Terra da Academia Húngara de Ciências ,
questionou se os vidros basálticos desempenharam um papel. Eles são
ricos em metais como magnésio e ferro que promovem muitas reações
químicas. E, diz ele, “o vidro basáltico estava em toda parte na Terra
na época”.
Ele enviou amostras de cinco
vidros de basalto diferentes para a Foundation for Applied Molecular
Evolution. Lá, Elisa Biondi, bióloga molecular, e seus colegas moeram
cada amostra em um pó fino, esterilizaram e misturaram com uma solução
de trifosfatos de nucleosídeos. Sem um pó de vidro presente, as letras
de RNA não conseguiram se conectar. Mas quando misturadas com os pós de
vidro, as moléculas se juntaram em longos fios , com algumas centenas de letras, relatam os pesquisadores esta semana na revista Astrobiology .
Nenhum calor ou luz era necessário. “Tudo o que tivemos que fazer foi
esperar”, diz Biondi. Pequenas fitas de RNA se formaram após apenas um
dia, mas as fitas continuaram crescendo por meses. “A beleza deste
modelo é sua simplicidade”, diz Jan Špaček, biólogo molecular da
Firebird Biomolecular Sciences. “Misture os ingredientes, espere alguns
dias e detecte o RNA.”
Ainda assim, os resultados
levantam muitas questões. Uma é como os trifosfatos de nucleosídeos
podem ter surgido em primeiro lugar. O colega de Biondi, Steven Benner,
diz que pesquisas recentes mostram como os mesmos vidros basálticos
poderiam ter promovido a formação e estabilização das letras de RNA
individuais.
Um problema maior, diz
Szostak, é a forma das longas fitas de RNA. Nas células modernas, as
enzimas garantem que a maioria dos RNAs cresça em longas cadeias
lineares. Mas as letras de RNA também podem se ligar em padrões
complexos de ramificação. Szostak quer que os pesquisadores relatem o
tipo de RNA que os vidros basálticos criaram. “Acho muito frustrante
que os autores tenham feito uma descoberta inicial interessante, mas
depois decidiram seguir o hype em vez da ciência”, diz Szostak.
Biondi admite que o
experimento de sua equipe quase certamente produz uma pequena quantidade
de ramificação de RNA. No entanto, ela observa que alguns RNAs
ramificados existem em organismos hoje, e estruturas relacionadas podem
estar presentes no início da vida. Ela também diz que outros testes que
o grupo realizou confirmam a presença de longos fios com conexões que
provavelmente significam que são lineares. “É um debate saudável”, diz
Dieter Braun, químico de origem da vida da Ludwig Maximilian. “Isso
desencadeará a próxima rodada de experimentos.”
Correção, 6 de junho, 16h: Uma versão anterior desta história deturpou a afiliação de Stephen Mojzsis.
sexta-feira, 8 de junho de 2018
Earth Had Oxygen Much Earlier Than Thought
By Charles Q. Choi, Live Science Contributor |
Oxygen may have filled Earth's atmosphere hundreds of millions of years
earlier than previously thought, suggesting that sunlight-dependent
life akin to modern plants evolved very early in Earth's history, a new
study finds.
The findings, detailed in the Sept. 26 issue of the journal Nature,have
implications for extraterrestrial life as well, hinting that
oxygen-generating life could arise very early in a planet's history and
potentially suggesting even more worlds could be inhabited around the
universe than previously thought, the study's authors said.
It was once widely assumed that oxygen levels remained low in the
atmosphere for about the first 2 billion years of Earth's
4.5-billion-year history. Scientists thought the first time oxygen
suffused the atmosphere for any major length of time was about 2.3
billion years ago in what is called the Great Oxidation Event.
This jump in oxygen levels was almost certainly due to cyanobacteria —
microbes that, like plants, photosynthesize and exhale oxygen.
The new study pushes this boundary back even further, suggesting
Earth's atmosphere became oxygenated about 3 billion years ago, more
than 600 million years before the Great Oxidation Event. In turn, this
suggests that something was around on the planet to put that oxygen in
the atmosphere at this time.
"The fact oxygen is there requires oxygenic photosynthesis,
a very complex metabolic pathway, very early in Earth's history," said
researcher Sean Crowe, a biogeochemist at the University of British
Columbia in Vancouver. "That tells us it doesn't take long for biology
to evolve very complex metabolic capabilities." [7 Theories on the Origin of Life]
Ancient oxygen reactions
Crowe and his colleagues analyzed levels of chromium and other metals
in samples from South Africa that could serve as markers of reactions
between atmospheric oxygen and minerals in Earth's rocks. They looked at
both samples of ancient soil and marine sediments from about the same
time period — 3 billion years ago.
The researchers focused on the different levels of chromium isotopeswithin
their samples. Isotopes are variants of elements; all isotopes of an
element have the same number of protons in their atoms, but each has a
different number of neutrons — for instance, each atom of chromium-52
has 28 neutrons, while atoms of chromium-53 have 29.
When atmospheric oxygen reacts with rock — a process known as
weathering —heavier chromium isotopes, such as chromium-53, often get
washed out to sea by rivers. This means heavier chromium isotopes are
often depleted from soils on land and enriched in sediments in the ocean
when oxygen is around. These proportions of heavier chromium were just
what were seen in the South African samples. Similar results were seen
with other metals, such as uranium and iron, that hint at the presence
of oxygen in the atmosphere.
"We now have the chemical tools to detect trace atmospheric gases billions of years ago," Crowe told LiveScience.
'Almost certainly biological'
All in all, the researchers suggest atmospheric oxygen levels 3 billion
years ago were about 100,000 times higher than what can be explained by
regular chemical reactions in Earth's atmosphere. "That suggests the
source of this oxygen was almost certainly biological," Crowe said.
"It's exciting that it took a relatively short time for oxygenic
photosynthesis to evolve on Earth," Crowe added. "It means that it could
happen on other planets on Earth, expanding the number of worlds that
could've developed oxygenated atmospheres and complex oxygen-breathing life."
Future research can look for similarly aged rocks from other places,
both on and outside Earth, to confirm these findings. "Research could
also look at earlier rocks," Crowe said. "Chances are, if there was
oxygen 3 billion years ago, there was likely oxygen production some time
before as well. How far back does it go?"
