Assim como as histórias da criação mítica que descrevem a formação do mundo como a história da ordem a partir do caos, a Terra primitiva era o lar de uma desordem caótica de moléculas orgânicas a partir das quais, de alguma forma, estruturas biológicas mais complexas, como RNA e DNA, surgiram.

Não havia uma mão orientadora para ditar como as moléculas dentro dessa desordem pré-biótica deveriam interagir para formar vida. Ainda, essas moléculas interagiram aleatoriamente então, com toda a probabilidade, que eles nunca teriam por acaso as interações corretas para, em última análise, levar à vida.

"A questão é, de todas as possibilidades aleatórias, existem regras que governam essas interações? "pergunta Ramanarayanan Krishnamurthy, um químico orgânico no Scripps Research Institute, na Califórnia.

Essas regras seriam seletivas, levando inevitavelmente às interações corretas para a montagem dos blocos de construção da vida. Para desvendar os segredos dessas regras e como a desordem pré-biótica fez a transição para o mundo biologicamente organizado da vida, Krishnamurthy utiliza uma disciplina chamada "química de sistemas, "e publicou artigo sobre o tema na revista Contas de pesquisa química que explora essa maneira relativamente nova de entender como a vida veio da não-vida.

O ganhador do prêmio Nobel e geneticista Jack Szostak, da Harvard Medical School, descreve a química de sistemas como:"uma das novas maneiras de pensar sobre os problemas da química pré-biótica". Para entender como a química de sistemas funciona, pense em um frasco cheio de produto químico A, ao qual outro produto químico, B, é adicionado e que reage com A para produzir mais dois produtos químicos, C e D. Como nenhum processo é 100 por cento eficiente, o frasco agora contém produtos químicos A, B, C e D. "Então agora você tem um sistema, "explica Krishnamurthy. A química dos sistemas considera o sistema como um todo e explora as regras dentro desse sistema que governam como cada produto químico interage com os outros, e em diferentes condições.

Ainda, a química de sistemas é mais do que apenas lidar com sistemas contendo muitos produtos químicos, diz Szostak. "É uma questão de pensar sobre quais produtos químicos ou condições podem estar disponíveis e serem úteis." Ele cita o exemplo do fosfato, que está automaticamente presente em sistemas bioquímicos por causa de sua existência nos blocos de construção de nucleotídeos da biologia, e, portanto, está disponível para desempenhar vários papéis na história de vida, como atuar como um catalisador e proteger as células das mudanças de pH.

Claro, desvendar a química da desordem pré-biótica está muito longe de explicar as interações de quatro substâncias químicas em um frasco. O poder computacional e analítico necessário para simular um sistema tão complexo estava além do alcance apenas uma ou duas décadas atrás. Em vez de, a maioria das pesquisas sobre a origem da vida anteriormente se concentrava em classes individuais de biomoléculas, o mais promissor sendo o RNA (ácido ribonucléico).

Um cenário de ovo e galinha

A teoria do mundo do RNA, que é a ideia de que o RNA existia antes das células, enfrenta um paradoxo. RNA faz proteínas, mas as proteínas também constituem o RNA. "Os biólogos pegaram a biologia moderna e por uma questão de parcimônia a executaram ao contrário, mas eles então encontraram o problema do que veio primeiro, proteínas ou RNA? ", diz Krishnamurthy

Quando Thomas Cech, da Universidade do Colorado, descobriu em 1981 que o RNA pode catalisar reações dentro de si mesmo, o problema parecia ter sido resolvido. Durante a noite, A importância do RNA para a vida foi transformada. Por ser catalítico, O RNA poderia dar o pontapé inicial em outra bioquímica, incluindo a formação de proteínas e, portanto, tinha que vir primeiro. A descoberta subsequente de que é a molécula de RNA em um ribossomo a responsável pela síntese de proteínas deu mais crédito à hipótese do "mundo do RNA".

O mundo do RNA tem, Contudo, tenho recebido muitas críticas ultimamente, que Krishnamurthy acredita ser merecido. O RNA é capaz de transferir informações genéticas em organismos e é feito de cadeias de ribonucleotídeos. Mas há um problema.

"Os nucleotídeos não surgem apenas de misturas químicas, eles têm que ser feitos de uma maneira bem definida, "ele diz." Tem que haver uma certa ordem para a seqüência de reação. Não é como o experimento de descarga de faísca de Stanley Miller, onde ele colocou todos esses gases juntos, apertou um botão e 'Voila!' "

A química de sistemas descreve o desenvolvimento do RNA como uma cadeia de eventos impulsionada por interações seletivas e catálise. Os ribonucleotídeos são formados a partir dos ribonucleosídeos ligados ao fosfato. Um nucleosídeo consiste em uma nucleobase, que é um composto contendo nitrogênio, ligado a um monossacarídeo, que é um açúcar contendo cinco átomos de carbono, chamadas pentoses. Entre a população de monossacarídeos existem quatro pentoses, entre eles ribose, que é de alguma forma seletivamente convertido em ribonucleosídeo em vez das outras três pentoses.

Embora Szostak concorde que a química dos sistemas tem o poder de apoiar a teoria do mundo do RNA, ou pelo menos explicar a origem do RNA, ele aponta que uma quantidade desproporcional de trabalho foi colocada em compreender como os nucleotídeos se formam, e não o suficiente para o que acontece depois disso. "Ainda faltam etapas para entender como o RNA pode ser feito, "ele diz. Então, o desafio agora para a química de sistemas é mostrar como e por que cada um desses estágios ocorre.

"Apenas sintetizar um monômero de RNA como um nucleosídeo ou nucleotídeo não é suficiente para dizer que você encontrou a origem do RNA, "diz Krishnamurthy." Como você coloca esses monômeros juntos de uma maneira significativa e autossustentável? "

O efeito de seleção pode estar ocorrendo em uma infinidade de níveis na criação do RNA. Talvez as regras de seleção sejam o que determina por que a ribose, em vez das outras três pentoses - xilose, lixose ou arabinose - é convertida nos nucleosídeos usados ​​pelo RNA. Talvez o efeito de seleção venha ao explicar por que o fosfato prefere se ligar aos ribonucleosídeos, em vez de quaisquer outros nucleosídeos. Ou, possivelmente são os próprios ribonucleotídeos que são selecionados por serem mais eficientes do que outros nucleotídeos na formação de cadeias. Ainda não sabemos qual é a resposta, mas Krishnamurthy acredita que a química de sistemas é a melhor ferramenta para descobrir.

Efeitos de seleção

Encontramos regras de seleção que orientam as interações na química como resultado das condições ambientais; ou propriedades emergentes, como atividade catalítica, automontagem e autorreplicação; ou mesmo como resultado das especificidades das reações químicas.

Cianeto, por exemplo, assume a forma de nitrilos não tóxicos em bioquímica, ligando-se a moléculas baseadas em carbono para formar moléculas orgânicas mais complexas. Também é um reagente muito útil. Adicionar cianeto a dois compostos orgânicos específicos contendo cetona e ácido carboxílico, chamados cetoácidos e ceto álcoois, e produz cianoidrinas que são precursores importantes de alguns aminoácidos. Contudo, na água as cianoidrinas podem sofrer hidrólise e se decompor, mas se o fazem ou não depende do pH dessa água. Em um artigo publicado em Química:Um Jornal Europeu , Krishnamurthy, Jayasudhan Yerabolu, colega do Scripps, e o químico Charles Liotta do Instituto de Tecnologia da Geórgia descobriram que a hidrólise ocorre a um pH inferior a 7 para as cianoidrinas formadas a partir de cetoácidos, e um pH superior a 7 para as cianoidrinas formadas a partir de cetoálcoois. Portanto, a sobrevivência de longo prazo das cianoidrinas é seletivamente dependente da acidez ou alcalinidade do ambiente circundante.

Outro exemplo que abrange a reatividade ao cianeto envolve moléculas de oxaloacetato e alfa-cetoglutarato, que desempenham um papel no ciclo do ácido cítrico (uma série de reações químicas de liberação de energia utilizadas pela vida que respira oxigênio). Na presença de cianeto, oxaloacetato é transformado seletivamente em vez de alfa-cetoglutarato, para formar um derivado de ácido hidroxi-succínico.

"Em uma mistura onde você pode encontrar oxaloacetato e alfa-cetoglutarato, adicionando cianeto, você pode transformar seletivamente um, mas não o outro, "diz Krishnamurthy.

Esses exemplos demonstram o que Krishnamurthy descreve como a transição da heterogeneidade heterogênea (diversas interações em um sistema de muitas moléculas) para a heterogeneidade homogênea (seleção de diversas interações entre relativamente poucas moléculas que formam a espinha dorsal dos sistemas de vida, como RNA). Em outras palavras, é a emergência da desordem pré-biótica de uma proto-bioquímica ordeira.

“A solução parece ser passar da mistura heterogênea para o que chamo de heterogeneidade homogênea, "diz Krishnamurthy." Isso é o que nosso laboratório está tentando demonstrar como uma prova de princípio. "

Ainda há um longo caminho a percorrer e Krishnamurthy recomenda que o progresso será melhor feito com passos de bebê, à medida que os cientistas desenvolvem essa abordagem de baixo para cima da origem da vida a partir da desordem pré-biótica heterogênea. Ao descobrir as reações e catálise que selecionam as interações corretas entre os compostos orgânicos, o objetivo é construir nosso entendimento de como os blocos básicos de construção são montados - como, por exemplo, O RNA emergiu do caos.

Em última análise, o desejo é construir uma simulação experimental que inclua toda a heterogeneidade heterogênea da desordem prebiótica em uma réplica do ambiente primitivo da Terra, e então executar essa simulação repetidamente para ver quais interações seletivas são mais comuns e se elas podem repetir a origem da vida.

"Estou otimista de que seremos capazes de encontrar caminhos razoáveis ​​para fazer todos os blocos de construção da biologia, e para montar esses componentes em uma forma simples, células primitivas, "diz Szostak." No entanto, há muito a aprender antes de alcançarmos essa meta ambiciosa. "

Assim como o frasco que acabou contendo os produtos químicos A, B, C e D, os produtos finais dessas reações seletivas podem começar a interagir com seus produtos químicos de origem, algo que não acontece no limpo, mundo isolado de RNA que é estudado em laboratório. Que soluções novas e anteriormente esquecidas aguardam para serem descobertas e com que rapidez os passos do bebê nos levarão a elas?

Esta história foi republicada como cortesia da Revista Astrobiologia da NASA. Explore a Terra e muito mais em www.astrobio.net.