Em um projeto financiado pelo Austrian Science Fund FWF, o bioquímico Markus Keller demonstrou com sucesso como importantes mecanismos metabólicos foram capazes de se desenvolver nas células há quatro bilhões de anos. Sua pesquisa fornece percepções completamente novas sobre a origem da vida.

A origem da vida é talvez o maior mistério da ciência. Ainda não se compreende adequadamente como algo tão complexo pode evoluir da natureza inanimada. O bioquímico Markus Keller, da Universidade Médica de Innsbruck, agora deu uma importante contribuição para a nossa compreensão de como a vida se desenvolveu na Terra. Uma bolsa Erwin-Schrödinger da FWF permitiu que Keller fizesse pesquisas no exterior. No decorrer de seu trabalho, ele explorou como alguns processos muito antigos e complexos do metabolismo celular se desenvolveram. - Processos que têm quase quatro bilhões de anos e também são encontrados no organismo humano.

"O ponto crucial aqui é como o metabolismo começou em primeiro lugar", diz Keller. “Em alguns lugares do nosso planeta existem sedimentos muito antigos mostrando que a vida começou há mais de 3,7 bilhões de anos. A partir desses sedimentos não podemos, Contudo, para concluir exatamente em que forma existia a vida e quais eram suas características. Só sabemos que deve ter havido algum tipo de atividade metabólica ", observa Keller.

Algumas vias metabólicas são idênticas em quase todos os organismos vivos do planeta. Um exemplo é a glicólise, o processamento de açúcar. "Plantas, as bactérias e outros organismos vivos usam a glicose da mesma forma que nós. Podemos supor que os processos eram os mesmos nas formas de vida existentes nos estágios iniciais da evolução. A questão é esta:como essas formas de vida poderiam interconverter os produtos intermediários da glicólise? "

O mistério das enzimas ausentes

O metabolismo celular é um sistema complicado que depende de várias enzimas. - Essas proteínas especiais servem como catalisadores, e alguns processos não seriam possíveis sem eles. Se uma enzima estiver faltando, todo o ciclo não funciona. Como Keller explica, é um problema da galinha ou do ovo:o que veio primeiro? As enzimas, quais são os próprios produtos metabólicos? Ou metabolismo, que não funciona sem enzimas? Apenas alguns anos atrás, a ideia de que vários desses mecanismos metabólicos podem ter funcionado sem enzimas, simplesmente por causa das condições ambientais prevalecentes, foi desacreditado como "pensamento mágico". Mas são precisamente esses processos cuja existência Keller foi capaz de demonstrar.

Importância do ferro no oceano arqueano

Seus primeiros artigos trataram da glicólise e do que é chamado de "via das pentoses-fosfato". "No momento em que a vida deve ter começado, o oceano arqueano era relativamente quente e continha uma grande quantidade de ferro dissolvido ", explica Keller. Sob circunstâncias normais, o ferro não é solúvel em água na sua forma oxidada, ou seja, ferrugem. Cerca de quatro bilhões de anos atrás, houve, Contudo, quase nenhum oxigênio puro na atmosfera ou no oceano que teria suportado a oxidação do ferro. Portanto, existiam grandes quantidades de ferro (II), ou ferro ferroso, que é facilmente dissolvido em água. "Simulamos as condições prevalecentes no oceano arqueano e vimos como, por exemplo, frutose-6-fosfato, um produto intermediário do metabolismo celular, reagiria neste ambiente. Uma das coisas que descobrimos foi que ele se converte em glicose-6-fosfato, precisamente a mesma sequência de reações e vias de reação que na célula viva. Nas primeiras publicações, mostramos que isso ocorre de maneira surpreendentemente eficiente, com muito poucas reações colaterais. Isso resulta exatamente nas moléculas certas. "

Processos metabólicos primeiro, próximo enzimas

Por esta razão, o oceano arqueano era um ambiente absolutamente ideal para essas reações metabólicas muito antigas. E aqui está a solução para este problema específico da galinha ou do ovo:as vias metabólicas químicas chegaram primeiro, e as enzimas desenvolvidas posteriormente. Keller só recentemente conseguiu demonstrar uma situação semelhante para o "ciclo do ácido cítrico" (CAC), outra parte importante do metabolismo celular. Suas reações individuais também podem ocorrer na ausência de enzimas. Análogo às células modernas, onde a glicólise e o CAC, que está localizado na mitocôndria celular, funcionar separadamente em ambientes diferentes, suas contrapartes não enzimáticas também precisam de ambientes químicos diferentes para funcionar com eficácia. Desta maneira, a pesquisadora mostrou que as observações feitas em relação à glicólise também se aplicavam a outras importantes vias metabólicas.

Novos métodos desencadeiam ideias

Keller foi capaz de fazer essas observações usando métodos de espectrometria de massa que ele desenvolveu durante sua bolsa Schrödinger na Universidade de Cambridge. A espectrometria de massa é um método extremamente sensível de medição que envolve a quebra de substâncias em suas moléculas ou átomos individuais para determinar sua massa. Keller originalmente examinou como os componentes das células de levedura poderiam ser analisados ​​por meio de espectrometria de massa, uma vez que não era apenas altamente preciso, mas também prometia vantagens adicionais sobre outros métodos. A levedura é um dos organismos-modelo mais importantes da biologia, e o trabalho de Keller foi a pesquisa básica com o objetivo de desenvolver metodologia para outros tipos de pesquisa. Ele desenvolveu a ideia de olhar para a origem evolutiva do metabolismo celular junto com o microbiologista Markus Ralser, chefe do grupo de pesquisa de Cambridge, do qual Keller era membro. Eles também perguntaram a Alexandra Turchyn, um especialista em oceanos arqueanos, para se juntar a eles e publicou o primeiro artigo sobre este assunto.

Observações importantes da linha lateral

“Na verdade, nunca planejei que minha pesquisa fosse nessa direção”, diz Keller. "O estudo inicial feito sobre o metabolismo da levedura também está aguardando publicação. Mas era importante que eu tivesse a liberdade de investigar essas coisas. No início, era apenas uma linha lateral." Keller enfatiza que alguns desses efeitos provavelmente foram medidos em outros estudos como efeitos secundários, mas não foram relatados em detalhes. "Essas reações ainda ocorrem nas células hoje", observa Keller. Ele incentiva os grupos que atuam nesse campo a examinar mais de perto o que podem interpretar erroneamente como erros de medição.