Acredita-se que a evolução das células e organismos foi precedida por uma fase em que moléculas informativas como o DNA poderiam ser replicadas seletivamente. Um novo trabalho mostra que as estruturas em grampo são replicadores de DNA particularmente eficazes.

No metabolismo de todos os organismos vivos, há uma divisão clara de trabalho:os ácidos nucléicos (DNA e RNA) carregam a informação para a síntese de proteínas, e as proteínas fornecem as funções estruturais e executivas exigidas pelas células, como a catálise controlada e específica de reações químicas por enzimas. Contudo, nas décadas recentes, tornou-se claro que essa distinção não é de forma alguma absoluta. Em particular, o RNA é capaz de ignorar a fronteira delineada acima e é conhecido por desempenhar um papel catalítico em muitos processos importantes. Por exemplo, certas moléculas de RNA podem catalisar a replicação de outros ácidos nucleicos, e essa versatilidade pode ajudar a explicar como a vida se originou na Terra.

As moléculas de ácido nucleico são constituídas por subunidades chamadas nucleotídeos, que diferem em suas chamadas bases. As bases encontradas no RNA são referidas como A, C, G e U (o DNA usa T no lugar de U). Essas bases se dividem em dois pares complementares, cujos membros interagem especificamente, A com T (ou U) e G com C. Esta complementaridade é o que explica a estabilidade da dupla hélice do DNA, e permite que fitas simples de RNA se dobrem em formas complexas.

Acredita-se que a vida tenha surgido de um processo de evolução química no qual as sequências de ácido nucléico poderiam ser replicadas seletivamente. Assim, em sistemas pré-bióticos, certas "espécies" moleculares que carregavam informações eram reproduzidas às custas de outras. Em sistemas biológicos, essa seletividade é normalmente mediada pelos chamados primers - fitas de ácido nucleico que emparelham (como descrito acima) com parte da molécula a ser replicada, para formar uma curta hélice dupla. O primer fornece um ponto de partida para a extensão da região de fita dupla para formar uma nova fita filha. Além disso, este processo pode ser reconstruído em proveta.

Os prós e contras dos replicadores em gancho

Georg Urtel e Thomas Rind, que são membros do grupo de pesquisa liderado por Dieter Braun (Professor de Biofísica de Sistemas na LMU), usaram tal sistema para identificar propriedades que podem favorecer a replicação seletiva de moléculas de DNA. Para seus experimentos, eles escolheram uma sequência de DNA de fita simples que adota a chamada estrutura em grampo. Nessas moléculas, as sequências de base em cada extremidade são complementares entre si, assim como pequenos trechos de sequência dentro do resto da molécula. Esta distribuição de sequências complementares faz com que tal fita se dobre em uma conformação semelhante a um grampo de cabelo.

Graças às regras de emparelhamento descritas acima, a replicação de uma única fita de DNA produz uma segunda fita cuja sequência difere da primeira. Cada filamento de uma estrutura não em grampo, portanto, precisa de seu próprio primer para a replicação. Mas com grampos de cabelo, um primer é suficiente para a síntese primária da fita original e complementar. "Isso significa que os grampos de cabelo são replicadores relativamente simples, "Georg Urtel aponta. A desvantagem é que a estrutura em grampo torna a ligação do primer mais difícil, e isso, por sua vez, limita sua taxa de replicação. As espécies moleculares desprovidas de estruturas em grampo não têm esse problema.

Cooperação vence competição

Em experimentos subsequentes, os pesquisadores descobriram que duas espécies simples em grampo poderiam cooperar para dar origem a um replicador muito mais eficiente, que requer dois primers para sua amplificação. As duas espécies em grampo selecionadas cada exigiam um primer diferente, mas suas sequências eram em parte idênticas. A mudança para a replicação cooperativa ocorre quando a replicação de um dos grampos de cabelo para. "Como uma regra, processos de replicação na natureza nunca são perfeitos, "diz Dieter Braun." Essa parada prematura não é algo que alguém precise projetar no sistema. Acontece estocasticamente e usamos isso em nossos experimentos. "O grampo de cabelo parcialmente replicado pode, Contudo, ligam-se a uma molécula da segunda espécie, e serve como um primer que pode ser mais alongado. Além disso, o produto resultante não forma mais um grampo de cabelo. Em outras palavras, representa uma nova espécie molecular.

Salvo da extinção

Esses chamados 'cruzamentos' precisam de dois primers para sua replicação, mas pode, no entanto, ser replicado significativamente mais rápido do que qualquer um de seus progenitores em gancho. Para mais experimentos mostraram que, após a diluição serial da população, os DNAs em grampo logo se extinguem. Contudo, a informação da sequência que eles continham sobrevive nos cruzamentos e pode ser replicada posteriormente.

O experimento inverso confirmou que a informação é de fato conservada:se os cruzamentos forem fornecidos com apenas um primer, a espécie progenitora em grampo correspondente ainda pode ser replicada pelo tipo de processo de troca mencionado acima. Mas, na ausência do segundo primer, o cruzamento morre. "Assim, o processo de cruzamento não só fornece a transição de replicadores 'simples e lentos' para replicadores mais rápidos, também permite que o sistema se adapte às condições prevalecentes, "Urtel explica." Também sugere como os primeiros replicadores poderiam ter cooperado uns com os outros sob condições pré-bióticas antes da origem dos sistemas vivos. "