Em uma bancada de laboratório, um punhado de frascos de vidro colados em uma cadeira de balanço balança suavemente para frente e para trás. Dentro dos frascos, uma mistura de produtos químicos orgânicos e minúsculas partículas de ouro de tolo estão implorando uma pergunta aparentemente além de sua aparência humilde:de onde veio a vida?

Combinando teoria com experimento, Cientistas da Universidade de Wisconsin-Madison estão tentando entender como a vida pode surgir da não-vida. Pesquisadores do UW – Madison Wisconsin Institute for Discovery estão conduzindo experimentos para testar a ideia de que reações químicas naturais podem se desenvolver prontamente sob as condições certas. O trabalho aborda alguns dos mistérios mais profundos da biologia, e tem implicações para a compreensão de como a vida comum pode ser no universo.

David Baum, presidente e professor de botânica na UW – Madison e um Discovery Fellow na WID, pensa que os primeiros anos de vida podem ter contado com um metabolismo primitivo que originalmente começou nas superfícies minerais. Muitas reações centrais nas células modernas dependem de catalisadores ferro-enxofre. Essa dependência de ferro e enxofre pode ser um registro gravado nas células dos ambientes onde o próprio metabolismo evoluiu pela primeira vez. Baum está testando essa ideia voltando-se para a pirita de ferro, um mineral de ferro e enxofre mais conhecido como ouro de tolo.

Junto com Mike Berg, um estudante de pós-graduação pesquisando as origens da vida, Baum está misturando contas microscópicas de pirita de ferro com uma fonte de energia química e blocos de construção moleculares simples. Conforme frascos desta mistura balançam para frente e para trás no laboratório, pequenos grupos de produtos químicos ligados à superfície do mineral podem se agregar e começar a auxiliar uns aos outros na produção de mais produtos químicos. Se então, eles podem se espalhar para outras contas de pirita de ferro, colonizando novas superfícies.

Quando Berg transfere algumas contas para um frasco novo, os grupos químicos podem continuar a se espalhar. Geração após geração, frasco após frasco, as misturas químicas mais eficientes e competitivas colonizariam a maior parte da pirita de ferro. Esta é a seleção. Como a seleção natural, que criou a diversidade e complexidade da vida na Terra, selecionar a capacidade de colonização desses grupos químicos pode revelar ciclos químicos naturais, capazes de mudar ao longo do tempo.

"A minha opinião é que a química natural pode surgir com relativa facilidade em muitos, muitas configurações geológicas, "diz Baum." O problema então muda. Não é mais um problema de 'isso vai acontecer, 'mas como saberemos que aconteceu? "

Eles passaram por mais de 30 gerações até agora, e estão procurando por qualquer sinal de mudança ao longo do tempo, se isso é geração de calor, consumo de energia ou a quantidade de material ligado às contas.

O microbiologista Baum e UW-Madison e biólogo de sistemas WID Kalin Vetsigian publicou um artigo no ano passado que descreveu os experimentos, que se baseiam em parte no princípio da seleção de vizinhança. Normalmente, a seleção natural opera em uma população de indivíduos. Mas os cientistas propuseram que, embora não existam indivíduos bem definidos nas misturas químicas, as comunidades moleculares que são melhores em colonizar novas superfícies irão prevalecer, e provavelmente ficará melhor com o tempo. Traços de sucesso da comunidade como um todo podem ser selecionados e transmitidos.

"Essa seleção no nível da comunidade poderia ter ocorrido antes que houvesse indivíduos com características hereditárias e variáveis, "diz Vetsigian." Se você tem boas comunidades, eles vão persistir. "

O projeto recebeu recentemente US $ 2,5 milhões em financiamento da NASA. Baum é o investigador principal da pesquisa, que inclui Vetsigian, UW – Madison químico Tehshik Yoon, e colaboradores de outras sete instituições.

As células precisam dos tipos de reações metabólicas que Baum estuda para produzir energia e os componentes de moléculas mais complexas. Eles também precisam de uma maneira de armazenar informações. Todas as células vivas transmitem sua informação genética com o DNA. Mas o professor de engenharia química e biológica da UW-Madison e biólogo de sistemas WID, John Yin, está explorando maneiras alternativas de armazenar e processar informações com moléculas mais simples em um esforço para entender como o armazenamento de informações pode evoluir sem células ou DNA.

Pegando uma sugestão da ciência da computação, Yin está trabalhando com o método mais básico de codificação de informações, binário. No lugar dos bits eletrônicos, seus uns e zeros são os dois aminoácidos mais simples, glicina e alanina. Usando uma forma única de química, Yin está secando as misturas de aminoácidos para encorajá-los a se unirem.

"Estamos vendo cadeias de alanina e glicina reproduzivelmente diferentes em diferentes tipos de condições, "explica Yin." Essa é a primeira dica de que, de certa forma, o produto é uma forma de representar um ambiente específico. "

O grupo de Yin está trabalhando na tarefa tecnicamente desafiadora de ler essas sequências de aminoácidos para que possam acompanhar as informações moleculares. O laboratório Yin eventualmente espera descobrir grupos de produtos químicos que possam construir a partir dessas informações moleculares para se reproduzirem. Para Baum e Yin, sistemas selecionáveis ​​exigem que esses ciclos de produtos químicos façam mais uns dos outros, o que Yin chama de "fechar o ciclo".

Fechar o ciclo no laboratório provavelmente será difícil. Só a experimentação dirá com certeza.

Yin, Baum e Vetsigian estão interessados ​​não apenas em como a vida na Terra começou, mas como isso poderia começar - em qualquer lugar. Se reações químicas realistas e informações moleculares forem prontamente produzidas no laboratório, isso pode mudar o cálculo de como a vida pode ser comum em outros mundos.

"Se encontrarmos muitos produtos químicos diferentes apoiando reações naturais, podemos esperar mais origens de vida em outras partes do universo, "diz Baum.