Descoberta nova peça do quebra-cabeça da origem da vida

A origem química da vida na Terra é um quebra-cabeça que os cientistas vêm tentando montar há décadas. Muitas hipóteses foram propostas para explicar como a vida surgiu e quais fatores químicos e ambientais na Terra primitiva poderiam ter levado a ela. Uma etapa necessária em várias dessas hipóteses envolve a síntese abiótica de polímeros genéticos – materiais compostos de uma sequência de unidades químicas repetidas com a capacidade de armazenar e transmitir informações por meio de interações de pareamento de bases.

Uma dessas hipóteses é a hipótese do mundo de RNA (ácido ribonucleico), que se baseia nesse conceito e sugere que o RNA poderia ter sido o biopolímero original da vida, tanto para armazenamento e transmissão de informações genéticas quanto para catálise. No entanto, na ausência de ativação química de monômeros de RNA, estudos descobriram que a polimerização de RNA teria sido ineficiente em condições primitivas de desidratação sem circunstâncias especializadas, como síntese lipídica ou assistida por sal ou modelagem mineral.

Embora isso não necessariamente torne a hipótese do mundo do RNA menos plausível, os sistemas químicos primitivos eram bastante diversos e não poderiam ser tão limpos para conter apenas RNA e lipídios, sugerindo que outras formas de polimerização primitiva do ácido nucleico também podem ter ocorrido.

Uma das principais hipóteses sugere que talvez um tipo diferente de ácido nucléico, denominado “pré-RNA”, possa ter precedido o RNA na Terra primitiva.

Assim, uma maneira potencialmente promissora de investigar as origens dos polímeros genéticos é não apenas focar na síntese de RNA sob condições prebióticas plausíveis, mas também investigar outros mecanismos atualmente desconhecidos de síntese prebiótica de ácidos nucleicos não-RNA (ou polímeros semelhantes a ácidos nucleicos) que poderiam ter existido na Terra primitiva, como a copolimerização de monômeros análogos de nucleosídeos alternados com moléculas de ligação.

Uma equipe de pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Tóquio, liderada pelo pesquisador Ruiqin Yi, assumiu a tarefa de examinar tais copolimerizações em um candidato a polímero genético prebiótico relevante não baseado em RNA.

Em seu recente avanço publicado na Chemical Communications, a equipe explorou a co-polimerização alternada de monômeros de ácido nucleico de glicol (GNA) com ácidos dicarboxílicos (DCA) substituídos e não substituídos sob condições primitivas de desidratação para produzir co-polímeros de ácido nucleico xenobiótico tanto lineares quanto ramificados.

“A pesquisa sugere que moléculas putativas de pré-RNA poderiam ser montadas a partir de monômeros com conectores que potencialmente serviam para unir outros polímeros funcionais, formando estruturas híbridas macromoleculares”, explica o Dr. Yi. “Essa interconectividade química adicional não apenas aumenta a complexidade dos polímeros, mas também pode ter conferido a eles funções novas ou emergentes. Essa co-síntese de polímeros pode ajudar a rastrear a origem de moléculas genéticas primitivas até uma era anterior à catálise enzimática ou ao RNA.”

Para investigar a co-síntese de polímeros, os monômeros de GNA, N1-(2′,3′-dihidroxipropil)timina (DHPT) ou N9-(2,3-dihidroxipropil)adenina (DHPA) (que contêm as bases timina e adenina observadas no DNA e RNA modernos, respectivamente), foram reagidos com uma variedade de ácidos dicarboxílicos (DCAs) substituídos e não substituídos através de síntese por desidratação para formar ligações de éster capazes de conectar os componentes de GNA com os componentes de DCA.

As moléculas dos produtos sintetizados foram então submetidas a espectrometria de massa por tempo de voo com ionização por laser assistida por matriz (MALDI-ToF-MS) para analisar os tipos de produtos que poderiam ser potencialmente produzidos. Os resultados revelaram que as reações com DCAs não substituídos produziram co-polímeros lineares alternados, enquanto as reações com DCAs substituídos produziram tanto co-polímeros lineares quanto ramificados; em todos os casos, os produtos eram compostos por uma população polidispersa de polímeros de diferentes comprimentos.

Variando a composição de DCA ou GNA, a temperatura ou o pH da reação, foi possível obter produtos de diferentes comprimentos. Quando a análise de MS/MS foi aplicada para “sequenciar” os polímeros do produto, foi revelado que a razão DCA/GNA afetou a quantidade de ramificação dos produtos; razões DCA/GNA mais altas resultaram em mais ramificações, enquanto razões mais baixas resultaram em polímeros lineares.

Finalmente, a equipe também descobriu que a reação mista de DHPT e DHPA com ácido tartárico levou à formação de uma sequência aleatória de polímeros compostos por ambos os tipos de bases (timina e adenina), que normalmente podem parear-se. Esses produtos indicam uma via potencial para que esse sistema forme polímeros de cadeia curta capazes de transmitir informações genéticas através de pareamento de bases, semelhante ao RNA ou a outras moléculas nucleicas primitivas.

Os resultados desta pesquisa sugerem, portanto, que tanto os co-polímeros de ácido nucleico xenobiótico GNA-DCA ramificados quanto lineares podem ter sido abundantes na Terra primitiva se o inventário de moléculas orgânicas pré-bióticas tivesse uma composição diversa, e que diferenças simples na composição química podem ter levado a diferenças na abundância de polímeros informativos ramificados versus lineares em nível populacional.

Por exemplo, em ambientes com menos monômeros de GNA em comparação com moléculas de DCA, os polímeros ramificados teriam dominado, o que poderia estar relacionado a protoenzimas globulares baseadas em polímeros hiper-ramificados.

Por outro lado, em ambientes com mais monômeros de GNA em comparação com moléculas de DCA, uma potencialmente altamente diversa população de polímeros lineares capazes de armazenar e transmitir informações genéticas teria predominado, o que poderia ter resultado em uma seleção adicional e evolução levando a outras funções ou ácidos nucleicos.

“Descobrimos que não apenas ácidos nucleicos xenobióticos não canônicos podem ser formados por meio da simples desidratação de dois tipos de moléculas primitivas abundantes (GNA e DCA), mas também que esses polímeros (que contêm dois tipos de bases complementares) poderiam ter propriedades úteis de armazenamento de informações. Agora, estamos nos aprofundando nas potenciais funções desses co-polímeros e esperamos descobrir mais respostas sobre os tipos de polímeros que poderiam ter existido e funcionado na Terra primitiva”, conclui o Dr. Yi.