Bilhões de anos de evolução fizeram células modernas incrivelmente complexas. Dentro das células existem pequenos compartimentos chamadas organelas que desempenham funções específicas essenciais para a sobrevivência e funcionamento da célula. Por exemplo, o núcleo armazena material genético e as mitocôndrias produzem energia.
Outra parte essencial de uma célula é a membrana que a envolve. Proteínas incorporadas na superfície da membrana controlam o movimento de substâncias para dentro e para fora da célula. Esta sofisticada estrutura de membrana permitiu a complexidade da vida como a conhecemos. Mas como é que as primeiras e mais simples células mantiveram tudo unido antes da evolução de elaboradas estruturas de membrana?
Em nossa pesquisa publicada recentemente na revista Science Advances, meus colegas da Universidade de Chicago e da Universidade de Houston e eu explorou uma possibilidade fascinante que a água da chuva desempenhou um papel crucial na estabilização das células iniciais, abrindo caminho para a complexidade da vida.
A origem da vida
Uma das questões mais intrigantes da ciência é como a vida começou na Terra. Os cientistas há muito se perguntam como é que a matéria inanimada, como a água, os gases e os depósitos minerais, se transforma em células vivas capazes de replicação, metabolismo e evolução.
Químicos Stanley Miller e Harold Urey na Universidade de Chicago conduziu um experimento em 1953 demonstrando que compostos orgânicos complexos – ou seja, moléculas baseadas em carbono – poderiam ser sintetizados a partir de compostos orgânicos e inorgânicos mais simples. Usando água, metano, amônia, gases hidrogênio e faíscas elétricas, esses químicos formaram aminoácidos.
Os cientistas acreditam que as primeiras formas de vida, chamadas protocélulasemergiu espontaneamente de moléculas orgânicas presentes na Terra primitiva. Essas estruturas primitivas semelhantes a células eram provavelmente feitas de dois componentes fundamentais: um material de matriz que fornecia uma estrutura estrutural e um material genético que carregava instruções para o funcionamento das protocélulas.
Com o tempo, essas protocélulas teriam desenvolvido gradualmente a capacidade de replicar e executar processos metabólicos. Certas condições são necessárias para que ocorram reações químicas essenciais, como uma fonte constante de energia, compostos orgânicos e água. Os compartimentos formados por uma matriz e uma membrana fornecem crucialmente um ambiente estável que pode concentrar os reagentes e protegê-los do ambiente externo, permitindo que ocorram as reações químicas necessárias.
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Assim, surgem duas questões cruciais: De que materiais eram feitas a matriz e a membrana das protocélulas? E como permitiram que as primeiras células mantivessem a estabilidade e a função de que necessitavam para se transformarem nas células sofisticadas que constituem hoje todos os organismos vivos?
Bolhas vs. gotículas
Os cientistas propõem que dois modelos distintos de protocélulas – vesículas e coacervados – podem ter desempenhado um papel fundamental nas primeiras fases da vida.
Vesículas são pequenas bolhas, como sabão na água. Eles são feitos de moléculas gordurosas chamadas lipídios que formam naturalmente folhas finas. As vesículas se formam quando essas folhas se enrolam em uma esfera que pode encapsular produtos químicos e proteger reações cruciais contra ambientes agressivos e degradação potencial.
Como bolsões de vida em miniatura, as vesículas lembram a estrutura e a função das células modernas. No entanto, ao contrário das membranas das células modernas, as protocélulas vesiculares não teriam proteínas especializadas que permitissem seletivamente a entrada e saída de moléculas de uma célula e permitissem a comunicação entre as células. Sem estas proteínas, as protocélulas vesiculares teriam capacidade limitada de interagir eficazmente com o seu ambiente, restringindo o seu potencial para a vida.
Coacervadospor outro lado, são gotículas formadas a partir de um acúmulo de moléculas orgânicas como peptídeos e ácidos nucléicos. Eles se formam quando moléculas orgânicas se unem devido a propriedades químicas que as atraem umas às outras, como forças eletrostáticas entre moléculas com carga oposta. Estas são as mesmas forças que fazem com que os balões grudem no cabelo.
Pode-se imaginar os coacervados como gotículas de óleo de cozinha suspensas na água. Semelhante às gotículas de óleo, as protocélulas coacervadas não possuem membrana. Sem uma membrana, a água circundante pode facilmente trocar materiais com as protocélulas. Esta característica estrutural ajuda os coacervados concentrar produtos químicos e acelerar reações químicascriando um ambiente movimentado para os blocos de construção da vida.
Assim, a ausência de uma membrana parece tornar os coacervados um melhor candidato a protocélula do que as vesículas. No entanto, a falta de membrana também apresenta uma desvantagem significativa: o potencial de vazamento de material genético.
Protocélulas instáveis e com vazamento
Alguns anos depois dos químicos holandeses descobriu gotículas de coacervado em 1929bioquímico russo Alexandre Oparin propuseram que os coacervados eram o modelo mais antigo de protocélulas. Ele argumentou que as gotículas coacervadas forneciam uma forma primitiva de compartimentalização crucial para os processos metabólicos iniciais e a auto-replicação.
Posteriormente, os cientistas descobriram que os coacervados às vezes podem ser composto de polímeros de carga oposta: moléculas longas em forma de cadeia que se assemelham a espaguete em escala molecular, carregando cargas elétricas opostas. Quando polímeros de cargas elétricas opostas são misturados, eles tendem a se atrair e se unir para formar gotículas sem membrana.
A ausência de uma membrana representou um desafio: as gotículas fundem-se rapidamente umas com as outras, semelhante a gotículas individuais de óleo na água que se unem numa grande bolha. Além disso, a falta de uma membrana permitiu ARN — um tipo de material genético considerado o forma mais antiga de molécula auto-replicantecrucial para os primeiros estágios da vida – para trocar rapidamente entre protocélulas.
Meu colega Jack Szostak mostrou em 2017 que a rápida fusão e troca de materiais pode levar a mistura descontrolada de RNAdificultando a evolução de sequências genéticas estáveis e distintas. Esta limitação sugeriu que os coacervados podem não ser capazes de manter a compartimentalização necessária para o início da vida.
A compartimentalização é um requisito estrito para a seleção natural e a evolução. Se as protocélulas coacervadas se fundissem incessantemente e seus genes se misturassem e trocassem continuamente entre si, todas elas se pareceriam entre si, sem qualquer variação genética. Sem variação genética, nenhuma protocélula teria maior probabilidade de sobrevivência, reprodução e transmissão de seus genes às gerações futuras.
Mas a vida hoje prospera com uma variedade de material genético, sugerindo que a natureza de alguma forma resolveu este problema. Assim, uma solução para este problema tinha que existir, possivelmente escondida à vista de todos.
Água da chuva e RNA
Um estudo que conduzi em 2022 demonstrou que gotículas de coacervado podem ser estabilizadas e evitar a fusão se imerso em água deionizada — água livre de íons e minerais dissolvidos. As gotículas ejetam pequenos íons na água, provavelmente permitindo polímeros com carga oposta na periferia aproximar-se um do outro e formar uma camada de pele em malha. Esta “parede” emaranhada dificulta efetivamente a fusão das gotículas.
Em seguida, com meus colegas e colaboradores, incluindo Mateus Tirrell e Jack Szostak, estudei a troca de material genético entre protocélulas. Colocamos duas populações separadas de protocélulas, tratadas com água deionizada, em tubos de ensaio. Uma dessas populações continha RNA. Quando as duas populações foram misturadas, o RNA permaneceu confinado em suas respectivas protocélulas durante dias. As “paredes” emaranhadas das protocélulas impediam o vazamento do RNA.
Em contraste, quando misturamos protocélulas que não foram tratadas com água deionizada, o RNA se difundiu de uma protocélula para outra em segundos.
Inspirado por estes resultados, meu colega Alamgir Karim questionaram-se se a água da chuva, que é uma fonte natural de água livre de íons, poderia ter feito a mesma coisa no mundo pré-biótico. Com outro colega, Anusha Vonteddudescobri que a água da chuva de fato estabiliza as protocélulas contra a fusão.
A chuva, acreditamos, pode ter aberto o caminho para as primeiras células.
Trabalhando em várias disciplinas
Estudar as origens da vida aborda tanto a curiosidade científica sobre os mecanismos que levaram à vida na Terra quanto questões filosóficas sobre o nosso lugar no universo e a natureza da existência.
Atualmente, minha pesquisa investiga o início da replicação genética nas protocélulas. Na ausência das proteínas modernas que fazem cópias dos genes dentro das células, o mundo pré-biótico teria dependido de reações químicas simples entre nucleótidos – os blocos de construção do material genético – para fazer cópias do ARN. Entendendo como os nucleotídeos se uniram formar uma longa cadeia de RNA é um passo crucial na decifração da evolução pré-biótica.
Para abordar a profunda questão da origem da vida, é crucial compreender as condições geológicas, químicas e ambientais da Terra primitiva, há aproximadamente 3,8 mil milhões de anos. Assim, descobrir os primórdios da vida não se limita aos biólogos. Engenheiros químicos como eu e pesquisadores de diversas áreas científicas estão explorando essa cativante questão existencial.
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