Tentar explicar como o DNA e o RNA evoluíram para formar espirais tão nítidas tem sido um enigma notório na ciência. Mas um novo estudo sugere que a rotação pode ter ocorrido com facilidade bilhões de anos atrás, quando os ancestrais químicos do RNA casualmente giraram em fios em espiral.

No laboratório, pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia ficaram surpresos ao vê-los fazer isso sob condições consideradas comuns na Terra, pouco antes de a primeira vida evoluir:em água pura, sem catalisadores, e à temperatura ambiente.

A espiral limpa também integrou elegantemente outro composto que hoje forma a espinha dorsal do RNA e do DNA. A estrutura resultante tinha características que se assemelhavam fortemente ao RNA.

Reviravoltas essenciais

O estudo deu um passo mais perto de responder a uma questão de ovo de galinha sobre o caminho evolutivo que levou ao RNA (a partir do qual o DNA evoluiu posteriormente):Será que a espiral veio primeiro? e essa estrutura influenciou quais componentes moleculares o transformaram mais tarde em RNA porque eles se encaixam bem na espiral?

"O espiralamento poderia ter um efeito de reforço. Poderia ter facilitado a conexão das moléculas que têm a mesma quiralidade (curva) para se conectarem em um backbone comum compatível com a torção helicoidal, "disse o investigador principal do estudo, Nicholas Hud, Professor Regents na Escola de Química e Bioquímica da Georgia Tech.

Os pesquisadores publicaram o novo estudo na revista Angewandte Chemie em dezembro de 2018. A pesquisa foi financiada pela National Science Foundation e pelo Programa de Astrobiologia da NASA no âmbito do Center for Chemical Evolution. O centro está sediado em Georgia Tech, e Hud é seu investigador principal.

Os polímeros resultantes do estudo não eram RNA, mas poderiam ser uma etapa intermediária importante na evolução inicial do RNA. Para blocos de construção, os pesquisadores usaram moléculas de base conhecidas como "proto-nucleobases, "altamente suspeito de serem precursores de nucleobases, principais componentes que transportam o código genético no RNA atual.

Paradoxo da nucleobase

O estudo teve que contornar um paradoxo na evolução química:

Produzir RNA ou DNA usando suas nucleobases reais em laboratório sem a ajuda das enzimas de células vivas que geralmente fazem esse trabalho é mais do que uma tarefa hercúlea. Assim, embora o RNA e o DNA sejam onipresentes na Terra agora, sua evolução na Terra pré-vida parece ter sido uma anomalia exigindo convergências erráticas de condições extremas.

Por contraste, o modelo de evolução química dos pesquisadores da Georgia Tech sustenta que as nucleobases precursoras se auto-montaram facilmente em protótipos ancestrais - que eram semelhantes a polímeros e chamados de montagens - que mais tarde evoluíram para RNA.

"Nós chamaríamos isso de 'proto-nucleobases' ou 'nucleobases ancestrais, '"Disse Hud." Para o nosso modelo geral de evolução química, estamos dizendo que essas proto-nucleobases, que se auto-montam nesses fios longos, poderia ter feito parte de um estágio muito inicial antes que as nucleobases modernas fossem incorporadas. "

Uma das principais suspeitas de proto-nucleobase neste experimento - e em experimentos anteriores sobre a possível evolução do RNA - foi a triaminopirimidina (TAP). O ácido cianúrico (CA) foi outro. Os pesquisadores suspeitam muito que o TAP e o CA sejam partes de um proto-RNA.

As ligações químicas que mantêm os conjuntos das duas proto-nucleobases suspeitas eram surpreendentemente fortes, mas não covalentes, que é semelhante a conectar dois ímãs. No RNA, as principais ligações que unem as nucleobases modernas são ligações covalentes, semelhante à soldagem, e as enzimas fazem essas ligações nas células hoje.

Vieses helicoidais

Uma hélice pode espiralar de duas maneiras, canhoto ou destro. Na quimica, uma molécula também pode ser entregue, ou quiral, fazer para as formas "L" ou "D" da molécula.

Aliás, os blocos de construção do RNA e DNA de hoje são todos a forma D, que fazem uma hélice destra. Por que eles evoluíram assim ainda é um mistério.

Lotes de TAP e CA, com os quais os pesquisadores começaram, produziram quantidades aproximadamente iguais de hélices destras e canhotas, mas algo se destacou:regiões inteiras de um lote foram enviesadas em uma direção e foram separadas de outras regiões que espiralaram principalmente para o outro lado.

"A propensão para as moléculas escolherem uma direção helicoidal era tão forte que grandes regiões dos lotes eram compostas predominantemente de conjuntos que eram torcidos unidirecionalmente, "Hud disse.

Isso foi surpreendente porque as moléculas individuais de TAP e CA não tinham quiralidade própria, nem L nem D. Ainda assim, as torções tinham uma direção preferida.

'recorde mundial'

Os pesquisadores adicionaram mais dois experimentos para testar o quão fortemente seus conjuntos semelhantes a RNA preferiam fazer hélices com uma mão.

Primeiro, eles introduziram uma série de compostos semelhantes a TAP e CA, mas que tinha quiralidade L ou D, para empurrar a direção em espiral. Todo o lote obedeceu à quiralidade do respectivo aditivo, resultando em montagens girando em uma direção unificada, como as hélices fazem no RNA e no DNA atualmente.

"Foi o novo recorde mundial para a menor quantidade de um dopante quiral (aditivo) que viraria uma solução inteira, "disse Suneesh Karunakaran, o primeiro autor do estudo e um pesquisador graduado no laboratório de Hud. "Isso demonstrou como seria fácil na natureza obter quantidades abundantes de hélices unificadas."

Segundo, eles colocaram o composto de açúcar ribose-5-fosfato junto com o TAP para emular mais de perto os blocos de construção atuais do RNA. A ribose se encaixou, e a montagem resultante espiralou em uma direção ditada pela quiralidade ribose.

"Esta molécula formou facilmente um conjunto semelhante a um RNA que era surpreendentemente estável, mesmo que as peças estivessem unidas apenas por ligações não covalentes, "Karunakaran disse.

Revolução da evolução

Os resultados do estudo em condições tão simples representam um salto em frente na evidência experimental de como a torção helicoidal das biomoléculas já poderia ter existido muito antes do surgimento da vida.

A pesquisa também expande um crescente corpo de evidências que apóiam uma hipótese não convencional do Center for Chemical Evolution, o que dispensa a necessidade de uma narrativa de que cataclismos raros e ingredientes improváveis ​​foram necessários para produzir os primeiros blocos de construção da vida.

Em vez de, a maioria das biomoléculas provavelmente surgiu em várias etapas graduais, no silêncio, planícies de terra varridas pela chuva ou rochas à beira de lagos banhadas pelas ondas. Moléculas precursoras com a reatividade correta habilitaram essas etapas prontamente e produziram materiais abundantes para etapas evolutivas posteriores.

Engenheiro de porão

No laboratório, a automontagem em hélice foi tão produtiva que ultrapassou a capacidade de um dispositivo de detecção de examinar a saída. Regiões de um milímetro quadrado ou mais de tamanho foram embaladas com conjuntos tipo polímero espiralados unidirecionalmente.

"Para olhar para eles tive que fazer ajustes no equipamento, "disse Karunakaran." Eu fiz furos em uma folha e coloquei na frente do feixe de nosso espectropolarímetro. "

Isso funcionou, mas precisava de melhorias, então Hud foi para seu porão em casa para construir um scanner automatizado que pudesse lidar com os abundantes resultados do experimento. Ele revelou grandes regiões de hélices com a mesma destreza.