Imagens de membranas (círculos) obtidas por meio da criomicroscopia eletrônica de transmissão. Superior:membranas em uma solução que não contém aminoácidos. Embaixo:membranas em uma solução contendo serina, um aminoácido, que dispara as membranas para formar várias camadas de membranas concêntricas. Barras de escala:100 nanômetros. Crédito:Alex Mileant / Caitlin Cornell / Universidade de Washington
A vida na Terra surgiu cerca de 4 bilhões de anos atrás, quando as primeiras células se formaram dentro de uma sopa primordial de complexo, compostos químicos ricos em carbono.
Essas células enfrentaram um enigma químico. Eles precisavam de íons específicos da sopa para desempenhar funções básicas. Mas esses íons carregados teriam rompido as membranas simples que encapsulavam as células.
Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Washington resolveu esse quebra-cabeça usando apenas moléculas que estariam presentes na Terra primitiva. Usando o tamanho da célula, compartimentos cheios de fluido rodeados por membranas feitas de moléculas de ácido graxo, a equipe descobriu que os aminoácidos, os blocos de construção das proteínas, pode estabilizar membranas contra íons de magnésio. Seus resultados prepararam o terreno para as primeiras células codificarem suas informações genéticas em RNA, uma molécula relacionada ao DNA que requer magnésio para sua produção, enquanto mantém a estabilidade da membrana.
As evidências, publicado na semana de 12 de agosto na Proceedings of the National Academy of Sciences , vá além de explicar como os aminoácidos poderiam ter estabilizado as membranas em ambientes desfavoráveis. Eles também demonstram como os blocos de construção individuais de estruturas celulares - membranas, proteínas e RNA - poderiam ter sido co-localizados em ambientes aquosos na Terra antiga.
"As células são compostas por tipos muito diferentes de estruturas com tipos totalmente diferentes de blocos de construção, e nunca ficou claro por que eles viriam juntos de uma forma funcional, "disse o co-autor Roy Black, um professor afiliado de química e bioengenharia da UW. "A suposição era apenas que - de alguma forma - eles vieram juntos."
Imagens de membranas (círculos) obtidas por meio da criomicroscopia eletrônica de transmissão. Topo:membranas em uma solução de cloreto de magnésio, um sal que rompe as membranas, e sem aminoácidos. Embaixo:membranas em uma solução de cloreto de magnésio e serina, um aminoácido, que dispara as membranas para formar várias camadas de membranas concêntricas. Barras de escala:100 nanômetros. Crédito:Alex Mileant / Caitlin Cornell / Universidade de Washington
Black veio para a UW depois de uma carreira na Amgen pela oportunidade de preencher o crucial, faltando detalhes por trás desse "de alguma forma". Ele se juntou a Sarah Keller, professor de química da UW e especialista em membranas. Black foi inspirado pela observação de que as moléculas de ácido graxo podem se automontar para formar membranas, e hipotetizaram que essas membranas poderiam atuar como uma superfície favorável para montar os blocos de construção de RNA e proteínas.
"Você pode imaginar diferentes tipos de moléculas movendo-se dentro da sopa primordial como bolas de tênis difusas e bolas de squash duras quicando em uma grande caixa que está sendo sacudida, "disse Keller, que também é autor co-correspondente no artigo. "Se você forrar uma superfície dentro da caixa com velcro, então, apenas as bolas de tênis vão aderir a essa superfície, e eles vão acabar juntos. Roy teve a percepção de que as concentrações locais de moléculas poderiam ser aumentadas por um mecanismo semelhante. "
A equipe mostrou anteriormente que os blocos de construção do RNA preferencialmente se ligam às membranas de ácidos graxos e, surpreendentemente, também estabilizam as membranas frágeis contra os efeitos prejudiciais do sal, um composto comum no passado e no presente da Terra.
A equipe formulou a hipótese de que os aminoácidos também podem estabilizar as membranas. Eles usaram uma variedade de técnicas experimentais, incluindo microscopia de luz, microscopia eletrônica e espectroscopia - para testar como 10 aminoácidos diferentes interagiram com as membranas. Seus experimentos revelaram que certos aminoácidos se ligam às membranas e as estabilizam. Alguns aminoácidos até desencadearam grandes mudanças estruturais nas membranas, como a formação de esferas concêntricas de membranas - muito parecidas com as camadas de uma cebola.
"Os aminoácidos não estavam apenas protegendo as vesículas da ruptura por íons de magnésio, mas eles também criaram vesículas com várias camadas, como membranas aninhadas, "disse a autora principal Caitlin Cornell, um aluno de doutorado da UW no Departamento de Química.
Um modelo de como os blocos de construção das primeiras células podem ter sido co-localizados nas membranas. Esquerda:os blocos de construção das membranas, RNA e proteínas na sopa primordial. Meio:as membranas se formam (círculo cinza) e ligam um subconjunto dos blocos de construção, que por sua vez estabilizam as membranas. À direita:RNA funcional e proteínas encerradas pela membrana. Crédito:Roy Black / Sarah Keller / Universidade de Washington
Os pesquisadores também descobriram que os aminoácidos estabilizam as membranas por meio de mudanças na concentração. Alguns cientistas levantaram a hipótese de que as primeiras células podem ter se formado em bacias rasas que passaram por ciclos de altas e baixas concentrações de aminoácidos à medida que a água evaporava e uma nova água entrava.
As novas descobertas de que os aminoácidos protegem as membranas - bem como os resultados anteriores mostrando que os blocos de construção do RNA podem desempenhar um papel semelhante - indicam que as membranas podem ter sido um local para essas moléculas precursoras co-localizar, fornecendo um mecanismo potencial para explicar o que reuniu os ingredientes para a vida.
Keller, Black e sua equipe irão voltar sua atenção para como os blocos de construção co-localizados fizeram algo ainda mais notável:eles se uniram para formar máquinas funcionais.
"Esse é o próximo passo, "disse Black.
Seus esforços contínuos também estão criando laços entre disciplinas na UW.
"A Universidade de Washington é um lugar excepcionalmente bom para fazer descobertas devido ao entusiasmo da comunidade científica em trabalhar colaborativamente para compartilhar equipamentos e ideias entre departamentos e campos, "disse Keller." Nossas colaborações com o Drobny Lab e o Lee Lab foram essenciais. Nenhum laboratório poderia ter feito tudo. "
