O metabolismo é o "coração pulsante da célula". Uma nova pesquisa do ELSI traça a história do metabolismo desde a Terra primordial até os dias modernos (da esquerda para a direita). A história da descoberta de compostos ao longo do tempo (linha branca) é cíclica, quase semelhante a um eletrocardiograma. Crédito:Goddard Space Flight Center da NASA/Francis Reddy/NASA/ESA A origem da vida na Terra sempre foi um mistério que escapou aos cientistas. Uma questão fundamental é quanto da história da vida na Terra se perdeu no tempo. É bastante comum que uma única espécie “desapareça” usando uma reação bioquímica e, se isso acontecer em um número suficiente de espécies, tais reações poderão efetivamente ser “esquecidas” pela vida na Terra.
Mas se a história da bioquímica está repleta de reações esquecidas, haveria alguma maneira de saber? Esta questão inspirou pesquisadores do Earth-Life Science Institute (ELSI), do Instituto de Tecnologia de Tóquio, e do Instituto de Tecnologia da Califórnia (CalTech), nos EUA. Eles raciocinaram que a química esquecida apareceria como descontinuidades ou "quebras" no caminho que a química percorre desde moléculas geoquímicas simples até moléculas biológicas complexas.
A Terra primitiva era rica em compostos simples, como sulfeto de hidrogênio, amônia e dióxido de carbono – moléculas geralmente não associadas à sustentação da vida. Mas, há milhares de milhões de anos, o início da vida dependia destas moléculas simples como fonte de matéria-prima. À medida que a vida evoluiu, os processos bioquímicos transformaram gradualmente estes precursores em compostos ainda hoje encontrados. Esses processos representam as primeiras vias metabólicas.
Para modelar a história da bioquímica, os pesquisadores do ELSI – Professor Associado Especialmente Nomeado Harrison B. Smith, Professor Associado Especialmente Nomeado Liam M. Longo e Professor Associado Shawn Erin McGlynn, em colaboração com o Cientista Pesquisador Joshua Goldford da CalTech – precisavam de um inventário de todas as reações bioquímicas conhecidas, para entender que tipos de química a vida é capaz de realizar.
Eles recorreram ao banco de dados da Enciclopédia de Genes e Genomas de Kyoto, que catalogou mais de 12 mil reações bioquímicas. Com as reações em mãos, eles começaram a modelar o desenvolvimento gradual do metabolismo.
Tentativas anteriores de modelar a evolução do metabolismo desta forma falharam consistentemente na produção das moléculas mais difundidas e complexas utilizadas pela vida contemporânea. No entanto, o motivo não estava totalmente claro. Tal como antes, quando os investigadores executaram o seu modelo, descobriram que apenas alguns compostos podiam ser produzidos. A pesquisa foi publicada na revista Nature Ecology &Evolution .
Para construir um modelo da história evolutiva do metabolismo na escala da biosfera, a equipe de pesquisa compilou um banco de dados de 12.262 reações bioquímicas do banco de dados da Enciclopédia de Genes e Genomas de Kyoto (KEGG). Crédito:Goldford, JE, Nat Ecol Evol (2024)
Uma maneira de contornar esse problema é evitar a paralisação da química, fornecendo manualmente compostos modernos. Os pesquisadores optaram por uma abordagem diferente:queriam determinar quantas reações estavam faltando. E sua busca os levou de volta a uma das moléculas mais importantes de toda a bioquímica:trifosfato de adenosina (ATP).
O ATP é a moeda energética da célula porque pode ser usado para impulsionar reações – como construir proteínas – que de outra forma não ocorreriam na água. O ATP, entretanto, tem uma propriedade única:as próprias reações que formam o ATP requerem ATP. Em outras palavras, a menos que o ATP já esteja presente, não há outra maneira de produzir ATP na vida atual. Essa dependência cíclica foi a razão pela qual o modelo parou.
Como esse “gargalo de ATP” poderia ser resolvido? Acontece que a porção reativa do ATP é notavelmente semelhante ao composto inorgânico polifosfato. Ao permitir que as reações geradoras de ATP usassem polifosfato em vez de ATP – modificando apenas oito reações no total – quase todo o metabolismo central contemporâneo poderia ser alcançado. Os pesquisadores poderiam então estimar as idades relativas de todos os metabólitos comuns e fazer perguntas pontuais sobre a história das vias metabólicas.
Uma dessas questões é se os percursos biológicos foram construídos de forma linear – em que uma reação após a outra é adicionada de forma sequencial – ou se as reações dos percursos emergiram como um mosaico, no qual reações de idades muito diferentes são unidas para formar um mosaico. formar algo novo. Os pesquisadores conseguiram quantificar isso, descobrindo que ambos os tipos de vias são quase igualmente comuns em todo o metabolismo.
Mas voltando à questão que inspirou o estudo – quanta bioquímica se perde com o tempo? "Podemos nunca saber exactamente, mas a nossa investigação produziu uma prova importante:apenas oito novas reacções, todas reminiscentes de reacções bioquímicas comuns, são necessárias para unir a geoquímica e a bioquímica", diz Smith.
“Isto não prova que o espaço de bioquímica em falta seja pequeno, mas mostra que mesmo as reações que foram extintas podem ser redescobertas a partir de pistas deixadas na bioquímica moderna”, conclui Smith.
