Como a vida começou? Como as reações químicas na Terra primitiva criaram estruturas complexas e auto-replicantes que se desenvolveram em seres vivos como os conhecemos?



De acordo com uma escola de pensamento, antes da era atual da vida baseada no DNA, existia um tipo de molécula chamada RNA (ou ácido ribonucleico).

O RNA – que ainda hoje é um componente crucial da vida – pode replicar-se e catalisar outras reações químicas.

Mas as próprias moléculas de RNA são feitas de componentes menores chamados ribonucleotídeos. Como esses blocos de construção teriam se formado na Terra primitiva e depois se combinado em RNA?

Químicos como eu estão tentando recriar a cadeia de reações necessárias para formar o RNA no início da vida, mas é uma tarefa desafiadora. Sabemos que qualquer reação química criada pelos ribonucleotídeos deve ter acontecido no ambiente confuso e complicado encontrado em nosso planeta há bilhões de anos.

Tenho estudado se as reações "autocatalíticas" podem ter desempenhado algum papel. Estas são reações que produzem substâncias químicas que estimulam a repetição da mesma reação, o que significa que podem se sustentar em uma ampla gama de circunstâncias.

Em nosso último trabalho publicado na Chemical Science , meus colegas e eu integramos a autocatálise em uma via química bem conhecida para a produção dos blocos de construção do ribonucleotídeo, o que poderia ter acontecido de forma plausível com as moléculas simples e as condições complexas encontradas na Terra primitiva.

A reação formosa

As reações autocatalíticas desempenham papéis cruciais na biologia, desde a regulação dos batimentos cardíacos até a formação de padrões nas conchas. Na verdade, a replicação da própria vida, onde uma célula absorve nutrientes e energia do ambiente para produzir duas células, é um exemplo particularmente complicado de autocatálise.

Uma reação química chamada reação formose, descoberta pela primeira vez em 1861, é um dos melhores exemplos de reação autocatalítica que poderia ter acontecido na Terra primitiva.

Em essência, a reação formosa começa com uma molécula de um composto simples chamado glicolaldeído (feito de hidrogênio, carbono e oxigênio) e termina com duas. O mecanismo depende de um fornecimento constante de outro composto simples chamado formaldeído.

Uma reação entre o glicolaldeído e o formaldeído produz uma molécula maior, separando fragmentos que realimentam a reação e a mantêm em andamento. No entanto, quando o formaldeído acaba, a reação para e os produtos começam a se degradar de moléculas complexas de açúcar em alcatrão.

A reação formosa compartilha alguns ingredientes comuns com uma via química bem conhecida para produzir ribonucleotídeos, conhecida como via Powner-Sutherland. No entanto, até agora ninguém tentou conectar os dois – com boas razões.

A reação formosa é notória por ser "não seletiva". Isso significa que ele produz muitas moléculas inúteis junto com os produtos reais que você deseja.

Uma reviravolta autocatalítica no caminho para os ribonucleotídeos

Em nosso estudo, tentamos adicionar outra molécula simples chamada cianamida à reação formosa. Isso torna possível que algumas das moléculas produzidas durante a reação sejam "desviadas" para produzir ribonucleotídeos.

A reação ainda não produz uma grande quantidade de blocos de construção de ribonucleotídeos. No entanto, os que produz são mais estáveis ​​e menos propensos a degradar-se.

O que é interessante em nosso estudo é a integração da reação formose e da produção de ribonucleotídeos. Investigações anteriores estudaram cada um separadamente, o que reflete como os químicos geralmente pensam sobre a produção de moléculas.

De modo geral, os químicos tendem a evitar a complexidade para maximizar a quantidade e a pureza de um produto. No entanto, esta abordagem reducionista pode impedir-nos de investigar interações dinâmicas entre diferentes vias químicas.

Estas interações, que acontecem em todo o mundo real fora do laboratório, são indiscutivelmente a ponte entre a química e a biologia.

Aplicações industriais

A autocatálise também tem aplicações industriais. Quando você adiciona cianamida à reação formose, outro dos produtos é um composto chamado 2-aminooxazol, que é usado em pesquisas químicas e na produção de muitos produtos farmacêuticos.

A produção convencional de 2-aminooxazol utiliza frequentemente cianamida e glicolaldeído, o último dos quais é caro. Se puder ser feito usando a reação formose, apenas uma pequena quantidade de glicolaldeído será necessária para iniciar a reação, reduzindo custos.

Nosso laboratório está atualmente otimizando esse procedimento na esperança de podermos manipular a reação autocatalítica para tornar as reações químicas comuns mais baratas e eficientes, e seus produtos farmacêuticos mais acessíveis. Talvez não seja tão importante quanto a criação da própria vida, mas achamos que ainda pode valer a pena.

Mais informações: Quoc Phuong Tran et al, Rumo a um quimioton prebiótico - síntese de precursor de nucleotídeo impulsionada pela reação autocatalítica de formose, Chemical Science (2023). DOI:10.1039/D3SC03185C
Informações do diário: Ciência Química

Fornecido por The Conversation

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.