Um Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) na equipe de Munique mostrou que pequenas alterações nas moléculas de transferência de RNA (tRNAs) permitem que elas se auto-montem em uma unidade funcional que pode replicar informações exponencialmente. Os tRNAs são elementos-chave na evolução das primeiras formas de vida.
A vida como a conhecemos é baseada em uma rede complexa de interações, que ocorrem em escalas microscópicas nas células biológicas e envolvem milhares de espécies moleculares distintas. Em nossos corpos, um processo fundamental se repete inúmeras vezes todos os dias. Em uma operação conhecida como replicação, as proteínas duplicam a informação genética codificada nas moléculas de DNA armazenadas no núcleo da célula – antes de distribuí-las igualmente às duas células filhas durante a divisão celular. A informação é então copiada seletivamente (‘transcrita’) nas chamadas moléculas de RNA mensageiro (mRNAs), que dirigem a síntese de muitas proteínas diferentes exigidas pelo tipo de célula em questão. Um segundo tipo de RNA – o RNA de transferência (tRNA) – desempenha um papel central na ‘tradução’ de mRNAs em proteínas. Os RNAs de transferência atuam como intermediários entre os mRNAs e as proteínas: eles garantem que as subunidades de aminoácidos das quais cada proteína em particular consiste sejam colocadas juntas na sequência especificada pelo mRNA correspondente.
Como poderia tal interação complexa entre a replicação do DNA e a tradução de mRNAs em proteínas ter surgido quando os sistemas vivos evoluíram pela primeira vez na Terra primitiva? Temos aqui um exemplo clássico do problema da galinha e do ovo: as proteínas são necessárias para a transcrição da informação genética, mas sua própria síntese depende da transcrição.
Os físicos da LMU liderados pelo professor Dieter Braun demonstraram agora como esse enigma poderia ter sido resolvido. Eles mostraram que pequenas modificações nas estruturas das moléculas de tRNA modernas permitem que elas interajam de forma autônoma para formar uma espécie de módulo de replicação, que é capaz de replicar informações exponencialmente. Essa descoberta implica que os tRNAs – os principais intermediários entre a transcrição e a tradução nas células modernas – também poderiam ter sido o elo crucial entre a replicação e a tradução nos primeiros sistemas vivos. Ele poderia, portanto, fornecer uma solução clara para a questão de quem veio primeiro – informação genética ou proteínas?
Surpreendentemente, em termos de suas sequências e estrutura geral, os tRNAs são altamente conservados em todos os três domínios da vida, ou seja, as arquéias e bactérias unicelulares (que carecem de um núcleo celular) e os eucariotos (organismos cujas células contêm um núcleo verdadeiro). Esse fato por si só sugere que os tRNAs estão entre as moléculas mais antigas da biosfera.
Como as etapas posteriores na evolução da vida, a evolução da replicação e da tradução – e a complexa relação entre elas – não foi o resultado de uma única etapa repentina. É melhor entendido como o culminar de uma jornada evolutiva. “Fenômenos fundamentais, como autorreplicação, autocatálise, auto-organização e compartimentalização, provavelmente desempenharam papéis importantes nesses desenvolvimentos”, diz Dieter Braun. “E em uma nota mais geral, tais processos físicos e químicos são totalmente dependentes da disponibilidade de ambientes que fornecem condições de não equilíbrio.”
Em seus experimentos, Braun e seus colegas usaram um conjunto de fitas de DNA complementares reciprocamente modeladas na forma característica dos tRNAs modernos. Cada um era composto de dois ‘grampos de cabelo’ (assim chamados porque cada fio podia emparelhar parcialmente com si mesmo e formar uma estrutura de laço alongado), separados por uma sequência informativa no meio. Oito dessas fitas podem interagir por meio de emparelhamento de bases complementares para formar um complexo. Dependendo dos padrões de emparelhamento ditados pelas regiões centrais de informação, este complexo foi capaz de codificar um código binário de 4 dígitos.
Cada experimento começou com um modelo – uma estrutura informativa composta de dois tipos de sequências informativas centrais que definem uma sequência binária. Essa sequência ditou a forma da molécula complementar com a qual ela pode interagir no conjunto de fitas disponíveis. Os pesquisadores passaram a demonstrar que a estrutura binária modelada pode ser copiada repetidamente, ou seja, amplificado, aplicando uma sequência repetitiva de flutuações de temperatura entre quente e frio. “Portanto, é concebível que tal mecanismo de replicação possa ter ocorrido em um microssistema hidrotérmico na Terra primitiva”, diz Braun. Em particular, soluções aquosas aprisionadas em rochas porosas no fundo do mar teriam fornecido um ambiente favorável para tais ciclos de reação, uma vez que oscilações naturais de temperatura, geradas por correntes de convecção, são conhecidas por ocorrerem em tais ambientes.
Durante o processo de cópia, as fitas complementares (retiradas do pool de moléculas) se emparelham com o segmento informativo das fitas do molde. Com o passar do tempo, os grampos de cabelo adjacentes desses fios também se emparelham para formar uma estrutura estável e as oscilações de temperatura continuam a conduzir o processo de amplificação. Se a temperatura for aumentada por um breve período, as fitas do molde são separadas da réplica recém-formada e ambas podem servir como fitas do molde na próxima rodada de replicação.
A equipe conseguiu mostrar que o sistema é capaz de replicação exponencial. Este é um achado importante, pois mostra que o mecanismo de replicação é particularmente resistente ao colapso devido ao acúmulo de erros. O fato de que a estrutura do próprio complexo replicador se assemelha à dos tRNAs modernos sugere que as formas iniciais de tRNA poderiam ter participado de processos de replicação molecular, antes que as moléculas de tRNA assumissem seu papel moderno na tradução de sequências de RNA mensageiro em proteínas. “Esta ligação entre replicação e tradução em um cenário evolutivo inicial pode fornecer uma solução para o problema da galinha e do ovo”, diz Alexandra Kühnlein. Também poderia ser responsável pela forma característica dos proto-tRNAs e elucidar o papel dos tRNAs antes de serem cooptados para uso na tradução.
A pesquisa de laboratório sobre a origem da vida e o surgimento da evolução darwiniana no nível dos polímeros químicos também tem implicações para o futuro da biotecnologia. “Nossas investigações das primeiras formas de replicação molecular e nossa descoberta de uma ligação entre replicação e tradução nos traz um passo mais perto da reconstrução da origem da vida”, conclui Braun.
Publicado em 06/03/2021 21h34
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