A sopa primordial que se espalhou bilhões de anos atrás, e eventualmente levou à primeira vida em nosso planeta, pode estar repleto de precursores primários de proteínas.

Ancestrais das primeiras moléculas de proteína, que são os principais componentes de todas as células, poderia ter sido abundante na Terra pré-vida, de acordo com um novo estudo liderado por pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia, que formou centenas de possíveis moléculas precursoras no laboratório. Em seguida, eles analisaram meticulosamente as moléculas com a tecnologia mais recente e novos algoritmos.

Eles descobriram que as moléculas, chamados depsipeptídeos, formou-se rápida e abundantemente sob condições que seriam comuns na Terra pré-biótica, e com ingredientes que provavelmente seriam abundantes.

E alguns dos depsipeptídeos evoluíram para novas variedades em apenas alguns dias, uma habilidade que, eras atrás, poderia ter acelerado o nascimento de moléculas longas, chamados de peptídeos, que compõem as proteínas.

Sans cataclysm, por favor

A nova pesquisa afiliada à NASA adiciona a um crescente corpo de evidências sugerindo que os primeiros polímeros da vida podem ter surgido em variações de processos diários ainda observados na Terra hoje, como a secagem repetida e o reabastecimento de água do lago. Eles podem não ter surgido como resultado de cataclismos ardentes, uma imagem frequentemente associada à criação das primeiras substâncias químicas da vida.

"Queremos ficar longe de cenários que não são prontamente possíveis, "disse Facundo Fernández, professor da Escola de Química e Bioquímica da Georgia Tech, e um dos principais investigadores do estudo. "Não se desvie das condições que seriam realistas e razoavelmente comuns na Terra pré-biótica. Não invoque qualquer química irracional."

Os cientistas há muito se intrigam sobre como as primeiras proteínas se formaram. Suas moléculas de cadeia longa, polipeptídeos, pode ser difícil de fazer no laboratório em condições abióticas.

Alguns pesquisadores trabalharam para construir pequenas cadeias, ou peptídeos, às vezes em cenários mais extremos que provavelmente ocorreram com menos frequência na Terra primitiva. Os rendimentos foram modestos, e os peptídeos resultantes tiveram apenas algumas partes componentes, enquanto as proteínas naturais têm uma grande variedade deles.

Evolução passo a passo

Mas moléculas complexas de vida provavelmente não surgiram em uma etapa dramática que produziu os produtos finais. Essa é a hipótese que impulsiona a pesquisa de Fernández e seus colegas do NSF / NASA Center for Chemical Evolution, com sede na Georgia Tech e com base na estreita colaboração com o Scripps Research Institute.

Em vez de, várias etapas químicas mais fáceis produziram muitos produtos intermediários que foram úteis em reações subsequentes que eventualmente levaram aos primeiros biopolímeros. Os depsipeptídeos produzidos neste último estudo poderiam ter servido como um trampolim químico.

Eles se parecem muito com os peptídeos regulares e podem ser encontrados hoje em sistemas biológicos. "Muitos antibióticos, por exemplo, são depsipeptídeos, "Fernández disse.

Fernández, seus colegas da Georgia Tech, Martha Grover e Nicholas Hud, e Ram Krishnamurthy da Scripps publicou seu estudo em 28 de agosto, 2017, no jornal Anais da Academia Nacional de Ciências . Primeiro autor Jay Forsythe, ex-pesquisador de pós-doutorado na Georgia Tech, agora é professor assistente no College of Charleston. A pesquisa foi financiada pela National Science Foundation e pelo Programa de Astrobiologia da NASA.

O novo estudo se junta a trabalhos semelhantes sobre a formação de precursores de RNA na Terra pré-biótica, e sobre possíveis cenários para a formação dos primeiros genes. Os insights coletivos podem algum dia ajudar a explicar como a primeira vida surgiu na Terra e também ajudar os astrobiólogos a determinar a probabilidade de existência de vida em outros planetas.

Compreendendo depsipeptídeo Lego

Para entender os depsipeptídeos e a importância dos resultados dos pesquisadores, é útil começar olhando para os peptídeos, que são cadeias de aminoácidos. Quando as cadeias ficam muito longas, elas são chamadas de polipeptídeos, e então proteínas.

As células vivas têm um mecanismo que lê instruções no DNA sobre como ligar aminoácidos em uma ordem específica para construir peptídeos e proteínas muito específicos que têm funções em uma célula viva. Para que uma proteína tenha função em uma célula, suas cadeias polipeptídicas precisam se agrupar como um fio pegajoso para formar formas úteis.

Antes que as células e o DNA existissem em uma Terra desprovida de vida, para polipeptídeos se formarem, os aminoácidos precisavam de alguma forma se acotovelar em poças ou nas margens de rios ou lagos para formar cadeias. Mas as ligações peptídicas podem ser difíceis de formar, especialmente longas cadeias deles.

Amino stand-in duplo

Outros títulos, chamadas ligações éster, formar mais facilmente, e eles podem ligar aminoácidos com moléculas muito semelhantes chamadas hidroxiácidos. Os hidroxiácidos são tão parecidos com os aminoácidos que podem, em alguns casos, funcionam como seus duplos stand-in.

Os pesquisadores misturaram três aminoácidos com três hidroxiácidos em uma solução de água e formaram depsipeptídeos, cadeias de aminoácidos e hidroxiácidos mantidos juntos por ligações intermitentes de éster e peptídeo. Os hidroxiácidos atuaram como um capacitador para juntar as cadeias que de outra forma seriam difíceis de formar.

A sopa primordial pode ter espalhado seus depsipeptídeos nas rochas, onde secaram ao sol, então a chuva ou o orvalho os dissolveram de volta na sopa, e isso aconteceu repetidamente. Os pesquisadores imitaram esse ciclo no laboratório e observaram o desenvolvimento das cadeias de depsipeptídeos.

Calor do vale da morte

"Chamamos isso de uma abordagem de ciclo ambiental para fazer esses primeiros peptídeos, "disse Fernández, quem é Vasser Woolley Foundation Chair em Bioanalytical Chemistry. Como a natureza:faça a sopa, seque-o, repetir.

No laboratório, a temperatura de secagem era de 85 graus Celsius (185 graus Fahrenheit), embora a reação tenha funcionado em temperaturas de 55 e 65 graus Celsius (131 a 149 graus Fahrenheit). "Se você pensar que a Terra primitiva tinha muita atividade vulcânica e uma mistura atmosférica que promovia o aquecimento, essas temperaturas são realistas em muitas partes da Terra primitiva, "Fernández disse.

A Terra primitiva levou centenas de milhões de anos para esfriar, e as temperaturas na casa das centenas de graus são consideradas comuns há muito tempo. Ainda hoje, os desertos mais quentes podem chegar a mais de 55 graus Celsius.

Ester do-si-do

Uma vez que as ligações de éster quebram mais facilmente, no experimento, as cadeias tendiam a se separar mais nos hidroxiácidos e se manter juntas entre os aminoácidos, que foram conectados por ligações peptídicas mais fortes. Como resultado, cadeias poderiam se formar novamente e ligar mais e mais aminoácidos entre si em peptídeos mais resistentes.

Em uma espécie de quadrilha, os hidroxiácidos substitutos costumam deixar seus parceiros de aminoácidos na cadeia, e novos aminoácidos presos à cadeia em seu lugar, onde eles seguraram firme. Na verdade, vários depsipeptídeos acabaram sendo compostos quase completamente de aminoácidos e tinham apenas restos de hidroxiácidos.

"Agora sabemos como os peptídeos podem se formar facilmente, "Fernández disse." Próximo, queremos descobrir o que é necessário para chegar ao nível de uma proteína funcional. "

10, 000, 000, 000, 000 depsipeptídeos

Para identificar os mais de 650 depsipeptídeos que se formaram, os pesquisadores usaram espectrometria de massa combinada com mobilidade iônica, que poderia ser descrito como um túnel de vento para moléculas. Junto com a missa, a medição de mobilidade adicional deu aos pesquisadores dados sobre a forma dos depsipeptídeos.

Algoritmos criados pelo pesquisador da Georgia Tech, Anton Petrov, processaram os dados para finalmente identificar as moléculas.

Para ilustrar como os depsipeptídeos potencialmente abundantes poderiam ter sido na Terra pré-biótica:os pesquisadores tiveram que limitar o número de aminoácidos e hidroxiácidos a três cada. Se eles tivessem pegado 10 cada, em vez disso, o número de depsipeptídeos teóricos poderia ter escalado mais de 10, 000, 000, 000, 000

"Facilidade e generosidade são essenciais, "Fernández disse." A evolução química é mais provável de progredir quando os componentes de que necessita são abundantes e podem ser unidos em condições mais comuns. "