A biologia codifica informações em DNA e RNA, que são moléculas complexas perfeitamente ajustadas às suas funções. Mas eles são a única maneira de armazenar informações moleculares hereditárias? Alguns cientistas acreditam que a vida como a conhecemos não poderia ter existido antes da existência dos ácidos nucléicos. Assim, entender como eles surgiram na Terra primitiva é um objetivo fundamental da pesquisa básica.

O papel central dos ácidos nucléicos no fluxo de informações biológicas também os torna alvos essenciais para a pesquisa farmacêutica, e moléculas sintéticas que imitam ácidos nucleicos formam a base de muitos tratamentos para doenças virais, incluindo HIV. Outros polímeros semelhantes a ácidos nucleicos são conhecidos, no entanto, muito permanece desconhecido sobre as alternativas possíveis para o armazenamento de informações hereditárias. Usando métodos computacionais sofisticados, cientistas do Earth-Life Science Institute (ELSI) no Tokyo Institute of Technology, o German Aerospace Center (DLR) e a Emory University exploraram a "vizinhança química" dos análogos do ácido nucléico. Surpreendentemente, eles encontraram bem mais de 1 milhão de variantes, sugerindo um vasto, universo inexplorado da química relevante para a farmacologia, bioquímica e esforços para compreender as origens da vida. As moléculas reveladas por este estudo podem ser modificadas para produzir centenas de milhões de potenciais drogas farmacêuticas.

Os ácidos nucléicos foram identificados pela primeira vez no século 19, mas sua composição, o papel e a função biológica não foram compreendidos pelos cientistas até o século XX. A descoberta da estrutura em dupla hélice do DNA por Watson e Crick em 1953 revelou uma explicação simples para as funções biológicas e evolutivas. Todas as coisas vivas na Terra armazenam informações no DNA, que consiste em dois fios de polímero enrolados um ao outro como um caduceu, com cada fita complementando a outra. Quando os fios são separados, copiar o complemento em qualquer um dos modelos resulta em duas cópias do original. O próprio polímero de DNA é composto por uma sequência de "letras, "as bases da adenina (A), guanina (G), citosina (C) e timina (T), e os organismos vivos desenvolveram maneiras de garantir que a sequência apropriada de letras quase sempre seja reproduzida durante a cópia do DNA. A sequência de bases é copiada para o RNA por proteínas, que é então lido em uma sequência de proteína. As próprias proteínas permitem uma infinidade de processos químicos perfeitamente ajustados que tornam a vida possível.

Ocasionalmente, ocorrem pequenos erros durante a cópia do DNA, e outros às vezes são introduzidos por agentes mutagênicos ambientais. Esses pequenos erros são o alimento para a seleção natural:alguns desses erros resultam em sequências que produzem organismos mais adaptados, embora a maioria tenha pouco efeito; Contudo, muitos podem ser letais. A capacidade das novas sequências de favorecer a sobrevivência do hospedeiro é a "catraca" que permite à biologia se adaptar aos desafios em constante mudança do ambiente. Esta é a razão subjacente para o caleidoscópio de formas biológicas na Terra, de bactérias humildes a tigres:as informações armazenadas nos ácidos nucléicos permitem a "memória" na biologia. Mas o DNA e o RNA são a única maneira de armazenar essas informações? Ou eles são apenas a melhor maneira, descoberto apenas depois de milhões de anos de ajustes evolutivos?

"Existem dois tipos de ácidos nucléicos em biologia, e talvez 20 ou 30 análogos de ácido nucleico de ligação a ácido nucleico eficazes. Queríamos saber se há mais um a ser encontrado ou mesmo mais um milhão. A resposta é, parece haver muito mais do que o esperado, "diz o professor Jim Cleaves da ELSI.

Embora os biólogos não os considerem organismos, vírus também usam ácidos nucléicos para armazenar suas informações hereditárias, embora alguns vírus usem RNA, uma ligeira variante do DNA, como seu sistema de armazenamento molecular. O RNA difere do DNA pela presença de uma substituição de um único átomo, mas acima de tudo, O RNA atua segundo regras moleculares muito semelhantes às do DNA. O notável é que essas duas moléculas são essencialmente as únicas usadas entre a incrível variedade de organismos da Terra.

Biólogos e químicos há muito se perguntam por que isso acontece. São essas as únicas moléculas que podem desempenhar essa função? Se não, eles são talvez os melhores? Outras moléculas já desempenharam esse papel durante a evolução que foram subsequentemente selecionadas para extinção?

A importância central dos ácidos nucléicos na biologia também os tornou alvos de drogas para os químicos. Se uma droga pode inibir a capacidade de um organismo ou vírus de produzir descendentes infecciosos semelhantes, efetivamente mata os organismos ou vírus. Eliminar a hereditariedade de um organismo ou vírus é uma ótima maneira de derrubá-lo. Felizmente, a maquinaria celular que gerencia a cópia do ácido nucleico em cada organismo é ligeiramente diferente, e em vírus, frequentemente muito diferente.

Organismos com grandes genomas, como humanos, precisam ter muito cuidado ao copiar suas informações hereditárias, e, portanto, são muito seletivos quanto a evitar os precursores errados ao copiar seus ácidos nucléicos. Por outro lado, vírus, que geralmente têm genomas muito menores, são muito mais tolerantes ao uso de moléculas semelhantes, mas ligeiramente diferentes, para se copiarem. Isso significa produtos químicos semelhantes aos blocos de construção dos ácidos nucléicos, conhecidos como nucleotídeos, às vezes pode prejudicar a bioquímica de um organismo mais do que de outro. A maioria dos medicamentos antivirais importantes usados ​​hoje são nucleotídeos ou análogos de nucleosídeos, incluindo aqueles usados ​​para tratar o HIV, herpes e hepatite viral. Muitos medicamentos importantes para o câncer também são nucleotídeos ou análogos de nucleosídeos, já que as células cancerosas às vezes têm mutações que as fazem copiar os ácidos nucléicos de maneiras incomuns.

"Tentando entender a natureza da hereditariedade, e de que outra forma poderia ser incorporado, é a pesquisa mais básica que se pode fazer, mas também tem algumas aplicações práticas realmente importantes, "diz o co-autor Chris Butch, ex-ELSI e agora professor da Universidade de Nanjing.

Uma vez que a maioria dos cientistas acredita que a base da biologia é a informação hereditária, sem o qual a seleção natural seria impossível, cientistas evolucionistas que estudam as origens da vida também se concentraram em maneiras de fazer DNA ou RNA a partir de substâncias químicas simples que podem ter ocorrido espontaneamente na Terra primitiva. A maioria dos cientistas pensa que o RNA evoluiu antes do DNA por razões químicas sutis. O DNA é, portanto, muito mais estável do que o RNA, e o DNA se tornou o disco rígido da vida. Contudo, pesquisas na década de 1960 logo dividiram o campo das origens teóricas em dois:aqueles que viam o RNA como a resposta simples da "Navalha de Occam" para o problema das origens da biologia e aqueles que viam as muitas dobras na armadura da síntese abiológica de RNA. O RNA ainda é uma molécula complicada, e é possível que moléculas estruturalmente mais simples pudessem ter servido em seu lugar antes que ele surgisse.

Coautor Dr. Jay Goodwin, um químico da Emory University diz:"É realmente emocionante considerar o potencial de sistemas genéticos alternativos com base nesses nucleosídeos análogos - que podem ter surgido e evoluído em diferentes ambientes, talvez até em outros planetas ou luas de nosso sistema solar. Esses sistemas genéticos alternativos podem expandir nossa concepção do "dogma central" da biologia em novas direções evolutivas, em resposta e robusta aos ambientes cada vez mais desafiadores aqui na Terra. "

Qual molécula veio primeiro? O que torna o RNA e o DNA únicos? É difícil explorar essas questões básicas criando moléculas fisicamente no laboratório. Por outro lado, computar moléculas antes de produzi-las poderia economizar muito tempo para os químicos. "Ficamos surpresos com o resultado desse cálculo, "diz o co-autor Dr. Markus Meringer." Seria muito difícil estimar a priori que existem mais de um milhão de andaimes semelhantes a ácidos nucléicos. Agora sabemos, e podemos começar a testar alguns deles no laboratório. "

"É absolutamente fascinante pensar que, usando técnicas computacionais modernas, podemos tropeçar em novas drogas ao procurar moléculas alternativas para DNA e RNA que podem armazenar informações hereditárias. São estudos interdisciplinares como este que tornam a ciência desafiadora e divertida, mas impactante, "diz o co-autor Dr. Pieter Burger, também da Emory University.