Cientistas traçam uma nova estratégia para entender a origem da vida

Como eram as primeiras formas de vida? Em um novo artigo de perspectiva, os cientistas descrevem uma estratégia para responder a essa pergunta, estudando a evolução mais antiga das cadeias de transporte de elétrons, uma estratégia metabólica universal com uma história muito antiga. O artigo foi publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences.

Apesar de décadas de progresso, a origem da vida continua sendo um dos grandes problemas não resolvidos da ciência. “As características mais básicas da biologia, que os organismos são feitos de células, que passam informações genéticas através do DNA, que usam enzimas proteicas para executar seu metabolismo, tudo surgiu por meio de processos específicos no início da história evolutiva”, diz Aaron Goldman, associado Professor de Biologia no Oberlin College.

“Entender como esses sistemas biológicos mais básicos tomaram forma não apenas nos dará uma visão melhor de como a vida funciona no nível mais fundamental, mas o que a vida realmente é em primeiro lugar e como podemos procurá-la além da Terra”.

A questão de como a vida surgiu é tipicamente estudada por meio de experimentos de laboratório que simulam os primeiros ambientes da Terra e procuram produtos químicos que possam criar os mesmos tipos de biomoléculas e reações metabólicas que vemos nos organismos hoje. Isso é conhecido como abordagem “de baixo para cima”, pois trabalha com materiais que estariam presentes na Terra pré-biótica. Embora esses experimentos chamados de “química pré-biótica” tenham demonstrado com sucesso como a vida “pode ​​ter” se originado, eles não podem nos dizer como a vida realmente “se originou”.

Enquanto isso, outras pesquisas usam técnicas da biologia evolutiva para reconstruir como as primeiras formas de vida poderiam ter sido com base nos dados da vida atual. Isso é conhecido como abordagem “de cima para baixo” e pode nos contar sobre a história da vida na Terra.

A pesquisa de cima para baixo, no entanto, só pode olhar até onde havia genes que ainda são conservados em organismos hoje e, portanto, não até a origem da vida. Apesar de suas limitações, as pesquisas de cima para baixo e de baixo para cima visam o objetivo comum de descobrir as origens da vida e, idealmente, suas respostas devem convergir para um conjunto comum de condições.

Um novo artigo publicado por Goldman, Laurie Barge (cientista de pesquisa em astrobiologia no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA (JPL)) e colegas tenta preencher essa lacuna metodológica. Os autores argumentam que a combinação de pesquisas laboratoriais de baixo para cima sobre caminhos plausíveis para a origem da vida com reconstruções evolucionárias de cima para baixo das formas de vida primitivas pode ser usada para descobrir como a vida realmente se originou na Terra primitiva.

Em seu artigo, “Cadeias de transporte de elétrons como uma janela para os primeiros estágios da evolução”, os autores descrevem um fenômeno central para a vida hoje que poderia ser estudado combinando pesquisas de baixo para cima e de cima para baixo: cadeias de transporte de elétrons.

As cadeias de transporte de elétrons são um tipo de sistema metabólico usado por organismos em toda a árvore da vida, de bactérias a humanos, para produzir formas utilizáveis ​​de energia química. Os muitos tipos diferentes de cadeias de transporte de elétrons são especializados para cada forma de vida e o metabolismo energético que usam: por exemplo, nossas mitocôndrias contêm uma cadeia de transporte de elétrons ligada ao nosso metabolismo energético heterotrófico (consumidor de alimentos); Considerando que as plantas têm uma cadeia de transporte de elétrons totalmente diferente ligada à fotossíntese (a geração de energia a partir da luz solar).

Em todo o mundo microbiano, os organismos usam uma ampla gama de cadeias de transporte de elétrons ligadas a uma variedade de diferentes metabolismos energéticos. Mas, apesar dessas diferenças, os autores descrevem evidências de pesquisas de cima para baixo de que esse tipo de estratégia metabólica foi usado pelas formas de vida mais antigas e apresentam vários modelos para cadeias ancestrais de transporte de elétrons que podem remontar ao início da história evolutiva. Eles também pesquisam evidências atuais de baixo para cima, sugerindo que, mesmo antes do surgimento da vida como a conhecemos, a química semelhante à cadeia de transporte de elétrons poderia ter sido facilitada por minerais e pela água oceânica da Terra primitiva.

Inspirados por essas observações, os autores descrevem estratégias de pesquisa futuras que sintetizam pesquisas de cima para baixo e de baixo para cima sobre a história mais antiga das cadeias de transporte de elétrons, a fim de obter uma melhor compreensão do antigo metabolismo energético e da origem da vida de maneira mais ampla.

Esta pesquisa é o culminar de cinco anos de trabalho anterior desta equipe interdisciplinar multi-institucional liderada por Barge no JPL, para estudar como as reações metabólicas poderiam ter surgido em configurações geológicas na Terra primitiva.

Trabalhos anteriores da equipe investigaram, por exemplo, as reações específicas em cadeia de transporte de elétrons conduzidas por minerais (lideradas por Jessica Weber, cientista de pesquisa do JPL); como as enzimas antigas podem ter incorporado a química prebiótica em seus sítios ativos (liderada por Goldman); e o metabolismo microbiano em ambientes extremamente limitados em energia (liderado por Doug LaRowe, da University of Southern California).

“O surgimento do metabolismo é uma questão interdisciplinar e por isso precisamos de uma equipe interdisciplinar para estudar isso”, diz Barge. “Nosso trabalho utilizou técnicas de química, geologia, biologia e modelagem computacional para combinar essas abordagens de cima para baixo e de baixo para cima, e esse tipo de colaboração será importante para estudos futuros de vias metabólicas prebióticas”.