A vida na Terra se originou de uma parceria íntima entre os ácidos nucléicos (instruções genéticas para todos os organismos) e pequenas proteínas chamadas peptídeos, de acordo com dois novos artigos de bioquímicos e biólogos da Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill e da Universidade de Auckland. A hipótese do "peptídeo-RNA" contradiz a amplamente aceita hipótese do "mundo do RNA", que afirma que a vida se originou de ácidos nucléicos e só mais tarde evoluiu para incluir proteínas.

Os novos papéis - um em Biologia Molecular e Evolução , o outro em Biosystems - mostra como estudos experimentais recentes de duas superfamílias de enzimas superam as difíceis questões teóricas sobre como a vida complexa surgiu na Terra há mais de quatro bilhões de anos.

"Até agora, pensa-se que é impossível realizar experimentos para penetrar nas origens da genética, "disse o co-autor Charles Carter, PhD, professor de bioquímica e biofísica da Faculdade de Medicina da UNC. "Mas agora mostramos que os resultados experimentais combinam perfeitamente com a teoria do 'peptídeo-RNA', e, portanto, esses experimentos fornecem respostas bastante convincentes para o que aconteceu no início da vida na Terra. "

Os atributos especiais das versões ancestrais dessas superfamlies enzimáticas, e o sistema de feedback de auto-reforço que eles teriam formado com os primeiros genes e proteínas, teria dado o pontapé inicial na biologia precoce e conduzido as primeiras formas de vida em direção a uma maior diversidade e complexidade, disseram os pesquisadores.

Co-autor Peter Wills, PhD, professor de física da Universidade de Auckland, disse, "Comparado com a hipótese do mundo do RNA, o que descrevemos é simplesmente um cenário muito mais provável para a origem da vida. Esperamos que nossos dados e a teoria que delineamos nestes artigos estimulem a discussão e mais pesquisas sobre questões relevantes às origens da vida. "

Os dois cientistas estão totalmente cientes de que a hipótese do mundo do RNA ainda domina o campo de pesquisa da origem da vida. "Essa teoria é tão atraente e conveniente que a maioria das pessoas simplesmente não acha que haja alternativa, "Carter disse." Mas estamos muito confiantes de que sim. "

Antes que houvesse vida na Terra, havia produtos químicos simples. De alguma forma, eles produziram aminoácidos e nucleotídeos que eventualmente se tornaram as proteínas e ácidos nucléicos necessários para criar células individuais. E as células individuais tornaram-se plantas e animais. A pesquisa deste século revelou como a sopa química primordial criou os blocos de construção da vida. Também existe um consenso científico generalizado sobre o caminho histórico pelo qual as células evoluíram para plantas e animais.

Mas ainda é um mistério como os blocos de construção de aminoácidos foram montados pela primeira vez de acordo com modelos de ácido nucleico codificados nas proteínas que formaram a maquinaria de todas as células.

A teoria amplamente aceita do mundo do RNA postula que o RNA - a molécula que hoje desempenha papéis na codificação, regulando, e expressar genes - elevou-se da sopa primordial de aminoácidos e produtos químicos cósmicos, eventualmente, para dar origem a proteínas curtas chamadas peptídeos e, em seguida, a organismos unicelulares.

Carter e Wills argumentam que o RNA não poderia dar o pontapé inicial neste processo sozinho porque carece de uma propriedade que eles chamam de "reflexividade". Ele não pode impor as regras pelas quais é feito. O RNA precisava de peptídeos para formar o ciclo de feedback reflexivo necessário para levar eventualmente a formas de vida.

No cerne da teoria do peptídeo-RNA estão enzimas tão antigas e importantes que seus remanescentes ainda são encontrados em todas as células vivas e até mesmo em algumas estruturas subcelulares, incluindo mitocôndrias e vírus. Existem 20 dessas enzimas antigas chamadas aminoacil-tRNA sintetases (aaRSs).

Cada um deles reconhece um dos 20 aminoácidos que servem como blocos de construção das proteínas. (Proteínas, consideradas as máquinas da vida, catalisar e sincronizar as reações químicas dentro das células.) Nos organismos modernos, um aaRS liga efetivamente seu aminoácido atribuído a uma cadeia de RNA contendo três nucleotídeos complementares a uma cadeia semelhante no gene transcrito. Os aaRSs, portanto, desempenham um papel central na conversão de genes em proteínas, um processo chamado tradução que é essencial para todas as formas de vida.

As 20 enzimas aaRS pertencem a duas famílias estruturalmente distintas, cada um com 10 aaRSs. Os estudos experimentais recentes de Carter mostraram que os dois pequenos ancestrais de enzimas dessas duas famílias foram codificados por opostos, fitas complementares do mesmo pequeno gene. A simplicidade deste arranjo, com seu código binário inicial de apenas dois tipos de aminoácidos, sugere que ocorreu no início da biologia. Além disso, o apertado, A interdependência yin-yang dessas duas enzimas relacionadas, mas altamente distintas, teria estabilizado a biologia inicial de uma forma que tornou inevitável a diversificação ordenada da vida que se seguiu.

"Esses peptídeos interdependentes e os ácidos nucleicos que os codificam teriam sido capazes de ajudar na auto-organização molecular um do outro, apesar das interrupções aleatórias contínuas que afetam todos os processos moleculares, "Carter disse." Acreditamos que foi isso que deu origem a um mundo de peptídeo-RNA no início da história da Terra, "Carter disse.

Pesquisa relacionada de Carter e colega da UNC, Richard Wolfenden, PhD, revelado anteriormente como a química íntima dos aminoácidos permitiu que as primeiras enzimas aaRS se dobrassem adequadamente em enzimas funcionais, enquanto simultaneamente determina as atribuições na tabela de codificação genética universal.

"A imposição da relação entre genes e aminoácidos depende de aaRSs, que são codificados por genes e feitos de aminoácidos, "Wills disse." Os aaRSs, por sua vez, dependem desse mesmo relacionamento. Há uma reflexividade básica em ação aqui. O teórico Douglas Hofstadter chamou isso de 'laço estranho'. Propomos que este, também, desempenhou um papel crucial na auto-organização da biologia quando a vida começou na Terra. Hofstadter argumentou que a reflexividade fornece a força que impulsiona o crescimento da complexidade. "

Carter e Wills desenvolveram duas razões adicionais pelas quais era improvável que uma biologia de RNA puro de qualquer significado fosse anterior a uma biologia de RNA de peptídeo. Uma das razões é a catálise - a aceleração das reações químicas envolvendo outras moléculas.

A catálise é uma característica chave da biologia que o RNA não pode realizar com muita versatilidade. Em particular, As enzimas de RNA não podem ajustar prontamente suas atividades às mudanças de temperatura que provavelmente aconteceram quando a terra esfriou, e, portanto, não pode realizar a gama muito ampla de acelerações catalíticas que seriam necessárias para sincronizar a bioquímica das primeiras formas de vida baseadas em células. Somente enzimas de peptídeos ou proteínas têm esse tipo de versatilidade catalítica, Carter disse.

Em segundo lugar, Wills mostrou que obstáculos impossíveis teriam bloqueado qualquer transição de um mundo de RNA puro para um mundo de RNA de proteína e assim por diante em direção à vida.

"Tal ascensão de RNA para vida baseada em células teria exigido uma aparência inesperada de uma proteína semelhante a aaRS que funcionasse ainda melhor do que sua contraparte de RNA adaptada, ", Disse Carter." Esse evento extremamente improvável teria que acontecer não apenas uma, mas várias vezes - uma vez para cada aminoácido no código de proteína-gene existente. Simplesmente não faz sentido. "

Assim, porque a nova teoria de Carter-Wills realmente aborda problemas reais da origem da vida que são ocultados pela conveniência da hipótese do mundo de RNA, na verdade, é um relato muito mais simples de como as coisas provavelmente aconteceram pouco antes de a vida na Terra surgir da sopa primordial.