Biologia Molecular II - Resumo expandido - Cap 17 Origem e evolução inicial da vida

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RESUMO EXPANDIDO DO CAPÍTULO 17 DO LIVRO “BIOLOGIA
MOLECULAR DO GENE”: ORIGEM E EVOLUÇÃO INICIAL DA VIDA
Biologia Molecular do Gene - 7º ed. 2015.
CAPÍTULO 17- pg. 593 a 607.
QUANDO SURGIU A VIDA NA TERRA?
O funcionamento das células é mediado pela ação conjunta de várias
máquinas moleculares, predominantemente compostas principalmente por
proteínas, que juntas executam quase todas as tarefas da vida celular (como
a segregação cromossômica, a divisão celular e o controle da expressão
gênica). Além de que o metabolismo, a produção de energia e a fotossíntese
são mediados por proteínas, embora trabalhem junto a pequenos cofatores.
Sendo assim, vive-se basicamente em um “Mundo de Proteínas” cuja a base
da vida consiste na ação combinada de polímeros de aminoácidos.
Indiscutivelmente, não há assunto mais profundo do que a questão de como
a vida baseada em proteínas surgiu na Terra e se realmente surgiu nesse
planeta.
Essa questão representa um enigma. Se a maquinaria de replicação e
tradução do DNA é feita por proteínas, como a duplicação e expressão
gênica poderia ter ocorrido antes da existência de proteínas? Assumindo que
o material genético baseado em ácidos nucleicos poderia ter surgido em uma
“sopa primordial”, como ele dirigiria a produção de proteínas que ele mesmo
precisaria para se propagar, antes da existência de proteínas? Essa
propagação poderia ocorrer antes da existência de protocélulas? E como
essas células primordiais surgiram? Não se pode voltar no tempo para
analisar os ocorridos e tem-se quase nenhum vestígio em resíduos fósseis,
no entanto, a biologia molecular nos permite formular e testar hipóteses a
respeito.
Levando em consideração o surgimento da vida contemporânea a
partir de um sistema capaz de autorrepliação (depende de pequenas
moléculas e energia para se propagar) e sujeito a evolução darwiniana
(sujeito a mutações e modificações que possibilitam a seleção de sistemas
variantes mais complexos, que se propagam de maneira mais eficiente).
Dentre as formas de vida contemporânea, os organismos mais simples e de
vida livre são os membros do gênero Mycoplasma. Os micoplasmas
consistem em uma membrana citoplasmática e na maquinaria de citocinese,
replicação e segregação cromossômica, síntese protéica e metabolismo,
representando a lista de atributos mínimos para a vida baseada em
proteínas.
Como os Mycoplasma possuem genomas muito pequenos,
recentemente tornou-se possível sintetizar o genoma inteiro da espécie
Mycoplasma mycoides e criar uma célula viva com genoma artificial. Seu
genoma de 1 milhão de pares de bases (Mb) foi criado a partir de unidades
de 1 kb quimicamente sintetizadas, montadas no genoma completo em
etapas e propagadas em leveduras como organismo substituto (Fig. 1). Em
uma etapa final, o genoma da M. mycoides é recuperado e transplantado no
citoplasma de outra espécie de Mycoplasma, substituindo o genoma da
bactéria. Esse transplante resultou em uma bactéria de vida livre com
genoma inteiramente sintético (Fig. 2).
Figura 1. Estratégia para a criação de um genoma sintético de Mycobacterium mycoides.
Fonte: Biologia Molecular do Gene, 7ª ed., 2015.
Figura 2. Bactérias vivas de genoma sintético. Fonte: Biologia Molecular do Gene, 7ª ed.,
2015.
A Terra se formou ao longo de dezenas de milhões de anos, com sua
lua tendo surgido a partir de uma colisão com um projétil gigantesco que
marcou o fim da principal fase de crescimento do planeta a cerca de 4,5 Ga
(giga-ano), cuja energia teria derretido o manto da Terra e a água líquida
não teria existido até um resfriamento adequado que permitisse a formação
de nuvens de água ocorresse. A idade das rochas sedimentares mais antigas
e bem preservadas corresponde ao éon geológico da formação da Terra até
aproximadamente 3,8 Ga (Hadeano), seguido do éon Arqueano,
correspondente ao advento de uma atmosfera oxigenada, que teve fim cerca
de 2,5 Ga atrás. Estudos de isótopos de zircônio indicam que os oceanos
iniciaram sua formação em torno de 4,4 Ga, devido a atmosfera estável
estabelecida em 4,2 Ga (Fig. 3).
Figura 3. Linha do tempo geológico para a Terra inicial e o surgimento da vida. Fonte:
Biologia Molecular do Gene, 7ª ed., 2015.
QUAL FOI A BASE DA QUÍMICA ORGÂNICA PRÉ-BIÓTICA?
Quando se fala da construção da vida, devemos levar em consideração
as moléculas orgânicas. Essas são iguais que constituem o nosso mundo da
proteína, aminoácidos, lipídeos, açúcares que são produzidas a partir de
enzimas em rotas biossintéticas que são complexas e de várias etapas.
Apesar de 1953 ter sido o mesmo ano da descoberta da histórica biologia
molecular, houve também um experimento de extrema importância , que se
investigou as condições primitivas da Terra. E que assim , poderiam ter
sustentado as reações químicas capazes de criar moléculas orgânicas a
partir de precursores inorgânico.
Miller e Urey colocaram água, metano, amônia, hidrogênio a
descargas elétricas em frascos lacrados (Fig. 4). Depois de passar uma
semana, uma porção significativa do metano foi convertido em moléculas
orgânicas, com isso incluindo uma mistura racêmica de 11 aminoácidos.
Análises dos frascos lacrados de alguns desses experimentos posteriores de
Miller, no qual incluiu sulfeto hidrogênio, revelaram a presença de todos 20
aminoácidos encontrados nas proteínas contemporâneas e outros
aminoácidos também.
Figura 4. O experimento de Miller-Urey. Fonte: Biologia Molecular do Gene, 7ª ed., 2015.
Embora tenha conseguido sucesso com os experimentos, esforços
para mimetizar as condições da química pré biótica, conseguiram apenas
recentemente gerar polinucleotídeos. Portanto, os nucleotídeos foram agora
gerados por meio de uma nova abordagem, que envolve 4 moléculas
orgânicas, que são bem facilmente obtidas sob condições pré-bióticas (Fig.
5).
Figura 5. Geração de nucleotídeos pirimidínicos a partir de moléculas orgânicas simples.
Fonte: Biologia Molecular do Gene, 7ª ed., 2015.
Existem vários exemplos sobre isso, um deles mostram que os
nucleotídeos podem reagir para formar oligonucleotídeos em argila. Há
camadas microscópicas de argila que absorvem e concentram nucleotídeos,
permitindo reagir uns com os outros para formar cadeias ribonucleotídicas
(Fig. 6). Ou seja em conjunto esses novos achados podem preencher
potencialmente uma lacuna importante no conhecimento sobre a vida, pois
as ideias mais convincentes a respeito do começo da vida apontam para o
surgimento espontâneo de moléculas de RNA autorreplicantes na Terra
pré-biótica.
Figura 6. Papel postulado para a argila na síntese de polirribonucleotídeos. Fonte: Biologia
Molecular do Gene, 7ª ed., 2015.
Então, podemos ver que as moléculas orgânicas pré bióticas, podem
não ter surgido só a partir de reações que envolvem carbono atmosférico.
Um outro potencial fonte de moléculas orgânicas foram o cometas e
meteoritos que foram derivados do impacto da formação da lua. Alguns
meteoritos que são chamados por condritos, as vezes podem apresentar
carbono. Existem análises químicas que revelam a presença de mistura
racêmicas nesses condritos de vários aminoácidos, incluindo os encontrados
nas proteínas contemporâneas. Há um bem estudado que é o meteorito de
Murchison, que caiu em Murchison, que é rico em moléculas orgânicas (Fig.
7). De fato, apenas excesso de L-aminoácidos foram identificados no
meteorito de Murchison e em outros condritos carbonáceos, estão a
isovalina, que são recuperados com excesso enantiomérico de qualidade L
para D. Outra descoberta bem interessante desse meteorito foi a presença
de núcleo bases, contendo a uracila. Com isso o transporte de aminoácidos
e de núcleo bases em condritos carbonáceos para a Terra pode ter
contribuído para a sopa química primordial.
Figura 7. Meteorito de Murchison. Fonte: Biologia Molecular do Gene, 7ª ed., 2015.
A VIDA EVOLUIU A PARTIR DE UM MUNDO DE RNA?
O RNA ele possui grande diversidade de estrutura e função, podendo
atuar até comoenzima.
A descoberta das ribozimas traz consigo a ideia de que se o RNA pode
servir para carregar informações e também como autorreplicase.
Em princípio a vida poderia ter iniciado sem a necessidade de
proteínas.
Essa ideia no qual a vida baseada em proteínas surgiu a partir de
formas de vida anteriores baseadas em RNA ou moléculas relacionadas é
conhecida como hipótese do mundo de RNA.
Nessa hipótese o mundo de proteínas teria evoluído a partir de um
mundo de RNA primordial.
Grande parte das evidências vem de evidências no qual incluem
introns capazes de autoprocessamento, ribozimas ou interruptores de RNA.
Acredita-se que a ribozima ribossomal (Fig. 8) é um fóssil molecular de
uma forma de vida inicial, quando todas as transações moleculares eram
executadas por RNAs.
Figura 8. A ribozima ribossomal peptidiltransferase atua em um centro de carbono para
criar a ligação peptídica. Fonte: Biologia Molecular do Gene, 7ª ed., 2015.
Dessa forma se considera que a vida provavelmente evoluiu a partir de
um mundo de RNA.
AS RIBOZIMAS AUTORREPLICATIVAS PODEM SER CRIADAS POR
EVOLUÇÃO DIRIGIDA?
A criação de ribozimas RNA-polimerases autorreplicativas em
laboratório, a partir da evolução dirigida, seria capaz de demonstrar a
hipótese de que a vida surgiu, primeiramente, a partir de uma replicase não
proteica. Ribozimas RNA-polimerases capazes de polimerizar
ribonucleotídeos em moldes de RNA já foram criadas. No entanto, a criação
de uma ribozima RNA-polimerase autorreplicativa ainda não foi possível.
O mecanismo de evolução dirigida é realizado a partir da Evolução
Sistemática de Ligantes por Enriquecimento Exponencial (SELEX,
Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment), em que
moléculas de RNA com sequência aleatória são sintetizadas e passadas por
ciclos de seleção e diversificação até que a propriedade de interesse seja
atingida. Para a criação de uma ribozima RNA-polimerase, a evolução
dirigida é realizada em dois estágios: (1) seleção de ribozimas capazes de
ligar a 3’-OH de um RNA ao 5’-trifosfato de outro RNA, em um molde
complementar a ambos, e (2) submissão da ribozima ligase a ciclos de
diversificação de sequência, selecionando moléculas capazes de ligar
nucleotídeos à sua extremidade 3’ (Fig. 9). Os ciclos sucessivos e o uso de
uma variedade de moldes garantiram o aumento progressivo da eficiência
das polimerases e que a incorporação dos nucleotídeos seguiram o molde, e
não por propriedades da ribozima.
Figura 9. Acima, a ligação de uma extremidade 3’-OH de uma molécula de RNA (em verde) à
extremidade 5’-trifosfato de uma segunda molécula de RNA (em rosa). Abaixo, comparação
com o mecanismo de adição de um nucleotídeo (em rosa) à molécula de RNA (em verde).
Fonte: Biologia Molecular do Gene, 7ª ed., 2015.
A evolução dirigida descrita levou à criação de uma ribozima
RNA-polimerase de 200 nucleotídeos, a qual é capaz de estender sua
extremidade 3’ precisamente por pelo menos 20 nucleotídeos, a partir de um
molde. Outra estratégia de seleção foi capaz de sintetizar, recentemente,
uma ribozima RNA-polimerase capaz de gerar RNAs com até 95
nucleotídeos, a partir da extensão de um iniciador ligado a um molde
separado de RNA. Essa ribozima é capaz de copiar inteiramente um molde
para a ribozima cabeça de martelo, resultando em um produto de RNA ativo
enzimaticamente por si.
A partir do estudo de uma ribozima ligase de 120 nucleotídeos,
acredita-se que a estrutura terciária das ribozimas RNA-polimerases
consiste em três domínios helicoidais, com um centro catalítico (Fig. 10). O
centro catalítico possui uma citosina especial responsável por estabilizar a
carga negativa do pirofosfato que deixa o grupo durante a formação da
ligação fosfodiéster.
Figura 10. Estrutura terciária de uma ribozima RNA-ligase evoluída. Os três domínios são
mostrados em cor-de-rosa, roxo e azul. O centro catalítico é mostrado em amarelo e o sítio
de ligação em vermelho. Fonte: Biologia Molecular do Gene, 7ª ed., 2015.
No entanto, apesar dos avanços, ainda não foi possível sintetizar uma
ribozima RNA-polimerase que seja capaz de se copiar inteiramente. É
provável que a ribozima replicase primordial realizou uma cópia de uma
molécula-irmã, formando um dúplex RNA-RNA com duas fitas
complementares: a replicase e o seu complemento. Ciclos adicionais de
cópia das fitas geraram mais replicases e mais complementos (Fig. 11).
Figura 11. Mecanismo pelo qual uma ribozima replicase primordial (em verde) teria copiado
seu complemento (em rosa), formando um dúplex RNA-RNA. Ciclos adicionais de cópia das
fitas, mostrados abaixo, geraram mais replicases e mais complementos. Fonte: Biologia
Molecular do Gene, 7ª ed., 2015.
Ainda que uma ribozima RNA-polimerase totalmente autorreplicativa
não foi sintetizada, a replicação autossustentada de uma ribozima que liga
moléculas de RNA já foi obtida. Ribozimas ligases complementares ligam
pares de substratos de RNA complementares. Uma ribozima denominada E
catalisa a ligação, mediada pelo molde, de duas moléculas de RNA
complementares a essa ribozima, A e B. O RNA complementar gerado, E’, é
uma ribozima ligase para os dois RNAs complementares a ela, A’ e B’,
gerando uma nova molécula de E. Portanto, E e E’ catalisam múltiplos ciclos
de ligação interconectados a partir de um conjunto de quatro substratos: A
e B, complementares a E, e A’ e B’, complementares a E’ (Fig. 12). Dessa
forma, uma ribozima pode ser autorreplicativa, porém, até o momento,
apenas a partir de RNAs como substrato, e não ribonucleotídeos.
Figura 12. Mecanismo replicativo autossustentável de uma ribozima ligase. A ribozima E
liga as moléculas de RNA complementares, A e B. O RNA complementar formado, E’, é uma
ribozima ligase capaz de ligar os RNAs complementares A’ e B’, gerando uma nova molécula
de E. Portanto, a ribozima é capaz de se autorreplicar utilizando substratos de RNA, mas
não ribonucleotídeos. Fonte: Biologia Molecular do Gene, 7ª ed., 2015.
A EVOLUÇÃO DARWINIANA NECESSITA DE PROTOCÉLULAS
AUTORREPLICATIVAS?
Ao analisar a hipótese de uma sopa primordial em um Mundo de RNA,
onde o RNA serviria como material genético e como ribozimas replicativas,
há um impasse a respeito da capacidade limitada da evolução Darwiniana
ocorrer nesse meio. Visto que, a passagem de uma mutação ocorrida em
uma replicase, como por exemplo a capacidade de replicação mais eficiente,
para outras moléculas semelhantes não seria rápida e nem significante em
meio a tantas replicases não aprimoradas (Fig. 13). Portanto, provavelmente,
a vida inicial precisou de protocélulas com membranas para abrigar as
replicases e isolá-las de uma grande quantidade de replicases idênticas da
sopa primordial (Fig. 14). Com isso, replicases aprimoradas teriam mais
chances de serem copiadas em um mesmo compartimento e,
posteriormente, serem passadas aleatoriamente para células filhas
(“herança”).
Figura 13. Ribozimas replicases mutantes aprimoradas não teriam vantagem seletiva na
sopa primordial. Fonte: Biologia Molecular do Gene, 7ª ed., 2015.
Figura 14. A compartimentalização permite a ocorrência de seleção Darwiniana. Fonte:
Biologia Molecular do Gene, 7ª ed., 2015.
O crescimento da protocélula pode ter sido favorecido por um
mecanismo osmótico. As ribozimas replicases seriam replicadas através da
entrada de ribonucleotídeos por difusão na membrana da protocélula, o que
aumentaria a osmolaridade do meio. Com isso, a entrada de água criaria
uma tensão na membrana, fazendo a protocélula inchar com a absorção de
lipídeos da sopa primordial, e, consequentemente, provocar a sua divisão.
Esse uso de compartimentos membranosos permite a distribuição de
ribozimas replicases e que a inovação genética seja recompensada pela
seleção Darwiniana.
Em laboratório, os compartimentos semelhantes a células e com os
componentes essenciais para a vida incial são facilmente gerados. Lipídios
simples, componentes da membrana plasmática de célulasatuais, formam
espontaneamente pequenos sacos topologicamente fechados (vesículas) em
ambientes aquosos (Fig. 15). Essa característica decorre do efeito
hidrofóbico das caudas gordurosas dos lipídeos, provocando o
empilhamento em camadas, que fecham-se para evitar contato com a água.
Essas vesículas crescem com a adição de novas moléculas de ácido graxo,
tornando-se instáveis e fragmentando-se em células filhas quando expostas
a agitação moderada (Fig. 16).
Figura 15. Os ácidos graxos foram espontaneamente vesículas com bicamadas. Fonte:
Biologia Molecular do Gene, 7ª ed., 2015.
As pequenas moléculas de ribonucleotídeos podem, por princípio, se
difundir entre os ácidos graxos desordenados na bicamada da membrana da
protocélula. Com isso, a vida inicial pode ter dependido dessas pequenas
moléculas para reprodução (nucleotídeos e ácidos graxos) e para sofrer
evolução Darwiniana (Fig. 17). Ao decorrer do tempo, as ribozimas,
abrigadas em compartimentos revestidos por ácido graxo e sujeitos a forças
osmóticas geradas pela absorção de ribonucleotídeos, podem ter
desenvolvido o truque de catalisar reações metabólicas e a formação de
ligações peptídicas. Essa sequência de acontecimentos pode ter dado
suporte para o Mundo de Proteína. Toda a jornada de uma ribozima
replicase a um ribossomo deve ter envolvido diversas etapas: evolução dos
progenitores de tRNAs, capacidade para sintetizar peptídeos, surgimento dos
mRNAs e dos ribossomos com duas subunidades e, finalmente, a
capacidade de sintetizar peptídeos longos que darão origem a proteínas de
estruturas complexas.
Figura 16. Crescimento e divisão de vesículas lipídicas. Fonte: Biologia Molecular do Gene,
7ª ed., 2015.
Figura 17. Célula primordial hipotética que combina ribozimas autorreplicativas e vesículas
autorreplicativas. Fonte: Biologia Molecular do Gene, 7ª ed., 2015.
A VIDA SURGIU NA TERRA?
Não se sabe ao certo de onde veio a vida, apenas especulações. Muitos
cientistas acreditavam que um princípio ativo teria a capacidade de
transformar matéria bruta em seres vivos, a partir dessa explicação foi feita
uma teoria sobre a geração espontânea, mas esta teoria foi rebatida por
muitos outros cientistas que através de experimentos comprovaram que um
ser vivo só se origina de outro pré-existente surgindo o que é a base da
teoria da biogênese, mas os questionamentos continuaram a ser feitos.
Por tanto surgem mais duas novas teorias sobre a vida na terra.
Dentre os céticos famosos, estava Francis Crick, ele e outros pesquisadores
supunham que a vida teria se originado em outros planetas e foi trazida
para cá através de esporos ou formas de vida resistentes, aderidas a
meteoritos que caíram e que ainda continuam caindo sobre a terra, essa
teoria é chamada de panspermia.
A teoria da evolução química diz que a vida surgiu a partir de
compostos inorgânicos que combinaram-se originando moléculas orgânicas
simples, que se combinaram produzindo moléculas mais complexas dando
origem a estruturas com capacidade de autoduplicação e metabolismo,
dando origem aos primeiros seres vivos (tendo como base a evolução
metabólica e não em evolução genética).