As moléculas geralmente têm uma assimetria estrutural chamada quiralidade, o que significa que podem aparecer em versões alternativas, imagens espelhadas, semelhantes às versões esquerda e direita das mãos humanas. Um dos grandes mistérios sobre as origens da vida na Terra é que praticamente todas as moléculas fundamentais da biologia, tais como os blocos de construção das proteínas e do ADN, aparecem numa única forma quiral.



Os químicos da Scripps Research, em dois estudos de alto nível, propuseram agora uma solução elegante para este mistério, mostrando como esta unilateralidade ou "homoquiralidade" poderia ter se estabelecido na biologia.

Os estudos foram publicados no Proceedings of the National Academy of Sciences e na Natureza . Juntos, eles sugerem que o surgimento da homoquiralidade se deveu em grande parte a um fenômeno químico denominado resolução cinética, no qual uma forma quiral se torna mais abundante que outra devido à produção mais rápida e/ou esgotamento mais lento.

"Houve muitas propostas sobre como a homoquiralidade surgiu em moléculas específicas - aminoácidos específicos, por exemplo - mas realmente precisávamos de uma teoria mais geral", diz Donna Blackmond, Ph.D., professora e cátedra John C. Martin no Departamento de Química da Scripps Research, que liderou ambos os estudos.

O estudante de pós-graduação Jinhan Yu e o pesquisador de pós-doutorado Min Deng, Ph.D., foram os primeiros autores dos dois estudos.

O enigma da homoquiralidade

A química da “Origem da Vida” tem sido um campo movimentado durante grande parte do século passado. Os seus praticantes descobriram dezenas de reações-chave que ocorreram plausivelmente na Terra primitiva, “prebiótica”, para produzir os primeiros ADN, ARN, açúcares, aminoácidos e outras moléculas que sustentam a vida. Falta neste corpo de trabalho, no entanto, uma teoria prebiótica plausível para o surgimento da homoquiralidade.

“Tem havido uma tendência na área de ignorar a questão da quiralidade ao procurar reações plausíveis que poderiam ter produzido as primeiras moléculas biológicas”, diz Blackmond. “É frustrante porque sem reações que favoreçam a homoquiralidade não teríamos vida”.

As reações químicas comuns que produzem moléculas quirais tendem a produzir misturas iguais ("racêmicas") de formas canhotas e destras. Fora da biologia, essa mistura normalmente não importa, pois ambas as formas costumam ter propriedades semelhantes ou idênticas.

Na biologia, porém, como consequência da extensa homoquiralidade, é comum que apenas a forma esquerda ou direita de uma molécula quiral tenha propriedades úteis - a outra pode ser inerte ou mesmo tóxica. Assim, as células muitas vezes guiam as reações para produzir formas quirais específicas usando enzimas altamente evoluídas.

Porém, a Terra pré-biótica não teria tais enzimas – então, como surgiu a homoquiralidade?

Um resultado paradoxal

Em seu estudo no Proceedings of the National Academy of Sciences, Blackmond e sua equipe abordaram esse problema dos aminoácidos. Essas pequenas moléculas orgânicas são usadas como blocos de construção de proteínas por todos os seres vivos na Terra, mas existem na biologia apenas na forma quiral canhota.

Os pesquisadores procuraram especificamente reproduzir a homoquiralidade em um processo central na produção de aminoácidos chamado transaminação, usando uma química relativamente simples e plausivelmente prebiótica que exclui enzimas complexas.

Nos primeiros testes, a reação experimental da equipe funcionou e produziu aminoácidos que foram enriquecidos em uma forma quiral versus outra. O problema é que a forma preferida era a forma destra – aquela que a biologia não usa.

“Ficamos presos por um tempo, mas então a lâmpada acendeu – percebemos que poderíamos fazer parte da reação ao contrário”, diz Blackmond.

Quando fizeram isso, a reação não produziu mais aminoácidos preferencialmente destros. Em um exemplo notável de resolução cinética, ele consumiu e esgotou preferencialmente as versões para destros - deixando mais aminoácidos desejados para canhotos. Assim, serviu como uma rota plausível para a homoquiralidade de aminoácidos usados ​​em células vivas.

Juntando tudo

Pela Natureza No estudo, os químicos exploraram uma reação simples com a qual os aminoácidos nas primeiras formas de vida poderiam ter sido ligados entre si nas primeiras proteínas curtas (também conhecidas como peptídeos). A reação havia sido publicada anteriormente por outro pesquisador, mas nunca havia sido investigada por sua capacidade de produzir peptídeos homoquirais a partir de misturas racêmicas ou quase racêmicas de aminoácidos.

Mais uma vez, os químicos encontraram o que parecia ser um obstáculo intransponível:eles descobriram que, ao formar cadeias peptídicas de aminoácidos, a reação funcionava mais rapidamente para ligações de aminoácidos canhotos com destros – o oposto dos desejados peptídeos homoquirais. .

Mesmo assim, a equipe perseverou. Em última análise, eles descobriram que quando um tipo de aminoácido no conjunto inicial de aminoácidos tinha uma dominância moderada da forma canhota - como seu outro estudo tornou plausível - a taxa de reação mais rápida para canhotos para destros. ligações com a mão esgotaram preferencialmente os aminoácidos dos destros, deixando uma concentração cada vez maior de aminoácidos canhotos.

Além disso, os peptídeos esquerda-direita-esquerda-direita tinham uma tendência mais forte de se aglomerar e cair da solução como sólidos. Esses fenômenos relacionados à resolução cinética acabaram produzindo uma solução surpreendentemente pura de peptídeos quase totalmente canhotos.

Para Blackmond, os mecanismos aparentemente paradoxais descobertos nestes estudos oferecem a primeira explicação convincente e ampla para o surgimento da homoquiralidade – uma explicação que provavelmente funciona não apenas para os aminoácidos, diz ela, mas também para outras moléculas fundamentais da biologia, como o DNA e o DNA. ARN.

Mais informações: Jinhan Yu et al, Acesso prebiótico a aminoácidos enantioenriquecidos por meio de reações de transaminação mediadas por peptídeos, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2315447121
Donna Blackmond, Quebra de simetria e amplificação quiral em reações de ligação prebiótica, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07059-y. www.nature.com/articles/s41586-024-07059-y

Informações do diário: Natureza , Anais da Academia Nacional de Ciências

Fornecido pelo Scripps Research Institute