Uma nova pista de como a vida surgiu

Um mistério de longa data sobre as primeiras células tem uma solução.

Uma célula. Créditos: Juhari Muhade / Getty Images.

Por Ed Yong
Publicado no The Atlantic

Quando Caitlin Cornell olhou para o microscópio, ela viu grandes manchas brilhantes contra um fundo preto. Elas pareciam sóis em miniatura, brilhando contra o pano de fundo do espaço. E quando Cornell mostrou os pontos para sua supervisora, Sarah Keller, uma química da Universidade de Washington, “ficamos muito empolgadas”, lembra ela. “Foi um momento ‘Aha!'”. Essas manchas, ela percebeu, podem ajudar a resolver um enigma de longa data sobre a origem da própria vida.

As células que compõem todos os seres vivos, apesar de suas infinitas variações, contêm três elementos fundamentais. Existem moléculas que codificam informações e podem ser copiadas – o DNA e seu parente mais simples, o RNA. Existem proteínas – moléculas laboriosas que realizam tarefas importantes. E ao encapsular todos elas, há uma membrana feita de ácidos graxos. Volte longe o suficiente no tempo, antes que surjam animais, plantas e até bactérias, e você descobrirá que o precursor de toda a vida – o que cientistas chamam de “protocélula” – provavelmente tinha essa mesma trindade de partes: RNA e proteínas em uma membrana. Como o físico Freeman Dyson disse certa vez, “a vida começou com pequenos sacos de lixos”.

Os sacos – as membranas – eram cruciais. Sem algo para encurralar as outras moléculas, elas simplesmente flutuariam para longe, se difundiriam no mundo e não conseguiriam nada. Ao concentrá-las, as membranas transformaram um mundo inanimado de produtos químicos desordenados em uma única área repleta de sequoias e redstarts, elefantes e E. coli, humanos e peixes-bruxas. A vida, em essência, é criar compartimentos. E isso é muito mais fácil e muito mais difícil do que parece.

Primeiro, o fácil. As primeiras membranas celulares foram construídas a partir de ácidos graxos – moléculas que se parecem com pirulitos, com cabeças redondas e longas caudas. As cabeças apreciam a companhia da água; as caudas desprezam isso. Assim, quando colocados na água, os ácidos graxos se juntam em esferas ocas, com as caudas que odeiam a água apontando para dentro e as cabeças que amam a água para a superfície. Essas esferas podem envolver RNA e proteínas, produzindo protocélulas. Os ácidos graxos, então, podem criar automaticamente os compartimentos necessários para o surgimento da vida. Parece quase bom demais para ser verdade.

E é, por duas razões. A vida surgiu primeiro nos oceanos salgados e o sal catastroficamente desestabiliza as esferas de ácidos graxos. Além disso, certos íons, incluindo magnésio e ferro, causam o colapso das esferas, o que é problemático, já que o RNA – outro componente-chave das primeiras protocélulas – requer esses íons. Como, então, a vida poderia ter surgido, quando os compartimentos de que necessita são destruídos pelas condições em que surgiu pela primeira vez e pelos próprios ingredientes que precisa para prosperar?

Caitlin Cornell e Sarah Keller têm uma resposta para esse paradoxo. Elas mostraram que as esferas podem suportar ambos os íons de sal e magnésio, contanto que estejam na presença de aminoácidos – as moléculas simples que são os blocos de construção das proteínas. Os pequenos sóis que Cornell observou sob seu microscópio eram misturas de aminoácidos e ácidos graxos, mantendo sua forma esférica na presença de sal.

Eu acho isso absolutamente mágico. Isso significa que dois dos componentes essenciais da vida, a membrana de uma protocélula e suas proteínas, proveram as condições para que uns aos outros existam. Ao aderir aos ácidos graxos, os aminoácidos lhe deram estabilidade. Por sua vez, os ácidos graxos concentraram os aminoácidos, talvez estimulando-os a se aglutinarem em proteínas. Desde o início, esses parceiros foram presos em uma dança de duas etapas que continuou por 3,5 bilhões de anos e ajudou a criar toda a riqueza da biologia a partir de um ponto de partida da mera química. “Eu concordo completamente”, diz Keller. “É completamente mágico. Você precisa dessas duas partes juntas”.

“É um trabalho fantástico”, diz Neal Devaraj, da UC San Diego. “Sua sugestão de que as membranas poderiam promover a síntese de proteínas é realmente fascinante”.

Essa descoberta aconteceu quase por acidente. Originalmente, Keller decidiu resolver um problema diferente, proposta a ela por seu colega Roy Black. Ele observou que ninguém tinha boas ideias sobre como exatamente a trindade protocélula – RNA, proteínas e membranas – realmente se reunia. Parecia que as pessoas estavam apenas acenando e atribuindo essa convergência crucial a algum evento aleatório. Black, em vez disso, sugeriu que as próprias membranas eram fundamentais. Se os ácidos graxos podem aderir aos constituintes de ambas as proteínas e RNA, eles poderiam ter reunido esses blocos de construção juntos com eles próprios montados.

Cornell testou essa ideia incubando um ácido graxo com três aminoácidos diferentes, todos os quais se pensa existirem na Terra primordial. Com certeza, como Black suspeitava, as moléculas interagiam umas com as outras. Mas quando ela olhou ao microscópio, Cornell percebeu que algo especial estava acontecendo.

Por conta própria, os ácidos graxos previsivelmente se automontaram em esferas ocas. “Eles pareciam águas-vivas: entranhas claras com bordas opacas, flutuando”, diz ela. Se ela acrescentasse íons de sal ou magnésio, essas águas-vivas se desintegrariam. Mas se ela fizesse isso depois de adicionar aminoácidos, elas manteriam sua forma. Além disso, elas se transformariam em formas que Cornell compara a cebolas brilhantes. Seus centros, antes ocos, estavam cheios de outra camada de ácidos graxos – esferas dentro de esferas. Não por acaso, é como são as nossas células reais, com membranas que compreendem duas camadas adiposas em vez de uma.

Assim, a presença de aminoácidos não apenas protege as esferas de ácidos graxos, mas também as transforma em algo mais obviamente biológico. Por quê? “Não temos ideia e não teríamos previsto isso”, diz Keller, rindo. “Estamos em um lugar encantador que abre o campo para uma teoria futura”.

“Esse é um ótimo trabalho”, diz Kate Adamala, da Universidade de Minnesota. Outros estudos, ela observa, encontraram interações entre quaisquer dois aminoácidos, membranas de ácido graxo e RNA, mas o estudo de Cornell e Keller efetivamente une os três. Os aminoácidos permitem que as membranas existam na presença de magnésio, que o RNA precisa para funcionar.

O estudo da origem da vida é sempre controverso. Os cientistas diversas vezes discordam furiosamente sobre as coisas que estão acontecendo agora, muito mais comum acontece sobre os eventos que ocorreram há mais de 3,5 bilhões de anos. Alguns pesquisadores, por exemplo, acham que a vida começou em poças vulcânicas rasas, enquanto outros argumentam que ela deve ter surgido em respiradouros submersos. As ideias de Keller, felizmente, funcionam nos dois ambientes. “Sou agnóstica”, diz ela. “Estou animada que o nosso estudo torne a ideia de protocélulas mais plausível independente da localização”.

Ela agora está analisando o que acontece após as protocélulas se juntarem. Claro, há um compartimento que contém os blocos de construção para produzir proteínas e RNA. “Mas como esses blocos de construção individuais se ligam para formar as moléculas maiores?”, diz ela. “É uma questão muito difícil”.

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