Cientistas estão mais perto de recriar a vida em sua forma mais primitiva em laboratório

Uma hipótese levantada para explicar a origem da vida é que ela começou quando cadeias primitivas de RNA começaram a se autorreplicar espontaneamente, desencadeando a evolução darwiniana em nível molecular. Pela primeira vez, os pesquisadores conseguiram replicar parte desse processo em laboratório. Em particular, eles mostraram que uma determinada enzima de RNA pode fazer cópias funcionais de outras cadeias de RNA, permitindo que novas características surjam ao longo do tempo.

A evolução darwiniana baseia-se no fato de que as informações (ou traços) hereditários são distribuídos seletivamente. Em biologia molecular, essas informações são armazenadas na forma de sequências de nucleotídeos, tanto no RNA quanto no DNA. Enquanto o DNA é ideal para armazenar informações genéticas, o RNA pode codificar proteínas e armazenar informações. Como o DNA, ele é composto por longas sequências de nucleotídeos, mas também pode atuar como uma enzima (ou catalisador) que inicia reações.

Na década de 1960, pesquisadores sugeriram que a vida surgiu em um "mundo feito de RNA". Este foi o período em que pequenas moléculas de RNA semelhantes a fios apareceram aqui e ali na Terra primitiva. Essas moléculas podem ter servido como catalisador para o surgimento de RNA auto-replicante que sustenta a vida. Em outras palavras, os primeiros fios catalíticos tinham que fazer cópias sequenciais de filamentos complementares. Esses primeiros RNAs adquiririam então a capacidade de catalisar sua própria replicação, atuando como RNA polimerases (enzimas) dependentes da presença de RNA.

A fim de preservar a informação genética, essas cópias devem ser muito precisas e corresponder ao original. No entanto, pequenas variações nas sequências devem aparecer gradualmente para que a evolução ocorra. Variantes mais eficientes dominarão a população até que surjam novas sequências com melhores características. À medida que as cópias se multiplicam, RNAs mais longos e complexos, incluindo sequências catalíticas mais complexas, podem se replicar.

No entanto, até o momento, nenhum exemplo de enzima de RNA com atividade efetiva de RNA-polimerase RNA-dependente foi encontrado. Pela primeira vez, pesquisadores do Instituto Salk de Estudos Biológicos (EUA) conseguiram criar uma enzima de RNA capaz de desencadear cópias funcionais, ao mesmo tempo em que permite o surgimento de novas variantes sequenciais.

Esse achado é consistente com a hipótese de que a vida surgiu a partir do RNA. "Ao descobrir novas possibilidades para o RNA, estamos descobrindo as origens potenciais da própria vida e como moléculas simples poderiam ter aberto o caminho para a complexidade e diversidade da vida que vemos hoje", explica Gerald Joyce, presidente do instituto e coautor do novo estudo, descrito na revista PNAS, em um comunicado à imprensa.

Sequências com Potencial Evolutivo

A fim de descobrir enzimas de RNA com atividade de polimerase, a pesquisa se concentrou anteriormente em ribozimas (RNAs que têm a capacidade de catalisar uma reação química específica). Usando a técnica de seleção e evolução dirigida, essas moléculas podem fazer cópias que podem, por sua vez, induzir a replicação de outras sequências de RNA. No entanto, eles têm uma desvantagem significativa: as cópias criadas não são precisas o suficiente. Ao longo de várias gerações, tantos erros são introduzidos nas sequências "infantis" que elas perdem completamente sua função.

Diagrama mostrando o processo de evolução dirigida de polimerases e ribozimas na forma de cabeça de martelo

Para superar esse problema, Joyce e sua equipe desenvolveram uma ribozima polimerase com uma série de mutações-chave, permitindo que ela fizesse cópias com muito mais precisão. Em um dos experimentos, o método de aumento seletivo de pressão foi utilizado para obter uma polimerase mais eficaz. Uma ribozima em martelo, um segmento de RNA com uma morfologia especial que catalisa a clivagem ou a ligação de outras moléculas de RNA a determinadas regiões, foi usada como uma fita copiada.

Os pesquisadores descobriram que a ribozima polimerase não apenas produz com precisão ribozimas de martelo funcionais, mas também introduz novas variações nas sequências que estão sendo criadas. Essas novas sequências mantiveram as funções da fita original, e as mutações as tornaram mais fáceis de replicar. Isso aumentou sua capacidade de evoluir e, eventualmente, levou-os a dominar a população de laboratório de ribozimas de martelo.

Sequências de ribozima em martelo copiadas pela polimerase com baixa precisão se afastam da sequência de RNA original (acima) e perdem sua função com o tempo. RNAs em forma de martelo catalisados pela polimerase em uma taxa mais alta mantêm sua função e evoluem para sequências mais afinadas (abaixo).

"Há muito tempo nos perguntamos como a vida era simples em seus estágios iniciais e quando ela adquiriu a capacidade de melhorar. Este estudo sugere que o início da evolução pode ter sido muito cedo e muito simples", explica o autor principal Nikolaos Papastavrou, pesquisador associado do laboratório de Joyce.

Além disso, "vimos que a pressão de seleção pode melhorar o RNA com função pré-existente, mas se o sistema puder evoluir por mais tempo com populações maiores de moléculas de RNA, talvez novas funções surjam", sugere seu colega David Horning, também coautor do estudo.

De acordo com os autores, suas descobertas mostram que moléculas simples de RNA poderiam de fato apoiar a evolução darwiniana no início da vida na Terra. Sua evolução para formas mais complexas teria levado ao surgimento das primeiras células e, em seguida, organismos multicelulares.