As pentoses são carboidratos essenciais no metabolismo das formas de vida modernas, mas sua disponibilidade durante o início da Terra não é clara, uma vez que essas moléculas são instáveis.



Um novo estudo, publicado na revista JACS Au e liderado pelo Earth-Life Science Institute (ELSI) do Instituto de Tecnologia de Tóquio, Japão, revela uma via química compatível com as condições primitivas da Terra e pela qual os aldonatos C6 poderiam ter atuado como fonte de pentoses sem a necessidade de enzimas. Suas descobertas fornecem pistas sobre a bioquímica primitiva e nos aproximam da compreensão das Origens da Vida.

O surgimento da vida na Terra a partir de produtos químicos simples é um dos tópicos mais emocionantes, porém desafiadores, da bioquímica e talvez de toda a ciência. As formas de vida modernas podem transformar nutrientes em todos os tipos de compostos através de redes químicas complexas; além do mais, eles podem catalisar transformações muito específicas usando enzimas, conseguindo um controle muito preciso sobre quais moléculas são produzidas.

No entanto, as enzimas não existiam antes que a vida surgisse e se tornasse mais sofisticada. Assim, é provável que num ponto anterior da história da Terra existissem várias redes químicas não enzimáticas, que poderiam converter nutrientes ambientais em compostos que apoiavam funções semelhantes às de células primitivas.

A síntese de pentoses é um exemplo proeminente do cenário acima. Esses açúcares simples, contendo apenas cinco átomos de carbono, são os blocos de construção fundamentais do RNA e de outras moléculas essenciais à vida como a conhecemos. Os cientistas propuseram e estudaram várias maneiras pelas quais as pentoses poderiam ter sido geradas antes da origem da vida, mas as teorias atuais levantam a questão:como poderiam as pentoses acumular-se em quantidades suficientes para participar em reações pré-vidas se estes compostos têm vida extremamente curta?

Para responder a esta questão, uma equipa de investigação liderada pelo cientista investigador Ruiqin Yi, do ELSI, conduziu um estudo para encontrar uma explicação alternativa para a origem e o fornecimento sustentado de pentoses na Terra primitiva. Eles exploraram uma rede química livre de enzimas na qual os aldonatos C6, que são carboidratos estáveis ​​de seis carbonos, se acumulam a partir de várias fontes de açúcar prebiótico e depois se convertem novamente em pentoses.

A via química proposta começa com o gluconato, um aldonato C6 estável que pode ter estado prontamente disponível na Terra primitiva através de transformações prebióticas conhecidas de açúcares básicos. A próxima etapa é a oxidação não seletiva do aldonato C6 em uronato; aqui, o termo 'não seletivo' significa que o processo de oxidação não discrimina entre os vários átomos de carbono na estrutura do aldonato, deixando cinco resultados de oxidação possíveis.

Através de experimentos e análises teóricas, os pesquisadores se aprofundaram nos vários produtos de oxidação para descobrir os detalhes da rede de reações.

Curiosamente, descobriram que não importa onde ocorra a oxidação, os compostos de uronato resultantes podem sempre sofrer uma transformação intramolecular conhecida como “migração de carbonilo” até que o composto específico 3-oxo-uronato seja formado. Uma vez atingido este estado, o 3-oxo-uronato é facilmente transformado em pentose através da β-descarboxilação na presença de H₂ O₂ e um catalisador ferroso, ambos compatíveis com as condições da Terra primitiva.

Depois de estabelecer e testar toda esta complexa rede de reações, os pesquisadores notaram uma importante semelhança com uma via bioquímica moderna.

“Demonstramos uma via sintética não enzimática para açúcares de cinco carbonos que depende de transformações químicas que lembram os primeiros passos da via das pentoses fosfato, uma via central do metabolismo”, diz o autor principal, Ruiqin Yi.

“Esses resultados provam que a síntese de açúcares prebióticos pode ter sobreposições com vias bioquímicas existentes”. Dado que os açúcares são onipresentes no metabolismo moderno, a rede de reações proposta poderia ter sido importante para o surgimento dos primeiros sistemas semelhantes à vida.

As descobertas deste estudo são importantes no contexto da astroquímica e da astrobiologia. Os aldonatos foram encontrados abundantemente no meteorito Murchison, um famoso meteorito carbonáceo que caiu na Terra em 1969.

Em contraste, os carboidratos canônicos encontrados nos sistemas biológicos modernos estavam ausentes nele. Isto implica que os aldonatos podem formar-se e acumular-se em condições extraterrestres, e o presente estudo sugere que podem desempenhar um papel importante na origem dos blocos de construção da vida. “Esperamos que este trabalho molde a próxima onda da astrobiologia que se concentrará nos estudos do aldonato”, acrescenta Yi.

Em estudos futuros, a equipa de investigação irá concentrar-se em saber se os aldonatos C6 poderiam ter-se acumulado o suficiente na Terra primitiva para actuar como “nutrientes” para o surgimento do protometabolismo. O pesquisador principal Ruiqin Yi conclui:"Queremos entender mais como esses aldonatos podem ser gerados a partir de reações clássicas de açúcar prebiótico, como a reação formose e a homologação Kiliani-Fischer."

Notavelmente, estas reações clássicas de açúcar prebiótico não são encontradas no metabolismo moderno e, portanto, a via não enzimática proposta poderia atuar como uma ponte muito necessária entre os primeiros açúcares e os carboidratos teoricamente utilizados pelas primeiras formas de vida.

Mais informações: Ruiqin Yi et al, Carbonyl Migration in Uronates Affords a Potential Prebiotic Path for Pentose Production, JACS Au (2023). DOI:10.1021/jacsau.3c00299
Fornecido pelo Instituto de Tecnologia de Tóquio