A Origem da Vida: Sopa primordial e o mundo de RNA (Parte 2)

Capa. Imagem composta a partir das originais aqui e aqui.

Autor: Gabriel Bueno

No primeiro texto dessa série falamos um pouco sobre a definição de vida que adotaremos aqui. Um texto de certa forma bastante filosófico, que eu recomendo bastante que vocês leiam. Pra isso é só clicar AQUI, que você será redirecionado pra lá.

No texto de hoje pretendo apresentar a mais clássica das hipóteses que surgiram desde o início do século passado para a origem da vida: a hipótese heterotrófica. Essa não vai ser a visão que adotaremos nesta série, mas é importante citá-la, já que é uma possibilidade, embora tenha seus problemas e lacunas.

VAI UMA SOPA AÍ?

Desde que a geração espontânea morreu, em meados do século XIX, a discussão sobre a origem dos primeiros seres vivos permaneceu de certa forma em repouso, até que na década de 1920 o bioquímico Alexander Oparin (em 1924) e o geneticista J.B.S. Haldane (em 1929) propuseram independentemente o que ficaria conhecida como "hipótese da sopa primordial (1)(2).

Basicamente essa hipótese parte das seguintes premissas:

1- A atmosfera primitiva da terra era redutora com uma composição majoritariamente de metano, vapor de água e amônia (segundo Oparin). Haldane também acrescenta CO2 nesta lista.

2- Haviam fontes de energia abundantes, como temperaturas mais elevadas (de fontes variadas) e descargas elétricas.

Com isso, a hipótese conclui que dado esse contexto, seria quimicamente possível que a  formação de monômeros importantes pra vida, como aminoácidos e nucleotídeos, acontecesse na Terra primitiva. Com o tempo, esses compostos se acumulariam em uma sopa quente de monômeros que reagiriam entre si formando proteínas, DNA, carboidratos mais complexos e, por fim, vida! Esses seres vivos primordiais foram batizados por Oparin de "Coacervados", células bastante primitivas a partir das quais a vida evoluiu e aumentou de complexidade.

Observação histórica interessante: ainda que não tenha se debruçado extensamente sobre o tema, Charles Darwin sugeriu, em carta a Joseph Hooker, algo semelhante à ideia da sopa primordial ("poderíamos conceber em um pequeno lago quente com todo tipo de amônia e sais fosfóricos - luz, calor, eletricidade presente"). (3)

O EXPERIMENTO DE MILLER E UREY

Para a hipótese de Oparin e Haldane sobravam aspectos teóricos, mas faltava uma base experimental que demonstrasse que a transição de mundo estritamente químico para um mundo bioquímico era possível. Foi só em 1952 que Stanley Miller e Harold Urey desenharam um experimento que colocaria em prática as condições teorizadas por Oparin e Haldane (4).

A ideia era simples: emular a dinâmica da Terra primitiva, com seus componentes químicos e uma fonte de energia viável (descargas elétricas, neste caso) e observar quais reações químicas seriam possíveis e quais os produtos dessas reações.

FIGURA 1. Experimento de Urey-Miller. Disponível aqui.

Após o experimento, foram observados alguns compostos bioquímicos extremamente relevantes, dentre eles 5 aminoácidos, dos quais 3 são proteinogênicos (participam da formação de proteínas). Essa foi uma descoberta bastante promissora na época, embora ainda faltassem uma série de compostos bioquímicos à serem sintetizados experimentalmente.

Infelizmente o experimento de Miller já não pode ser considerado uma boa evidência para suportar a teoria heterotrófica. Descobertas recentes sobre a atmosfera terrestre, baseadas em cristais de zircão e rochas primitivas, apontam que ela não era redutora (e sim relativamente neutra) e nem possuía os compostos que supunha a hipótese de Oparin e Haldane - sendo formada majoritariamente de gás nitrogenio (N2), vapor de água e gás carbônico - o que inviabiliza a utilização desse experimento como evidência (5).

MUNDO DE RNA E O REPLICADOR PRIMORDIAL

Com exceção dos retrovírus (como o HIV), todos os organismos vivos hoje armazenam sua informação genética na molécula de DNA. Além dela existe ainda uma molécula mais simples, chamada de RNA. De modo grosseiro e simplificado, podemos dizer que o RNA é uma molécula acessória que leva as mensagens codificadas no DNA para a formação de proteínas, que vão ser as moléculas efetoras no metabolismo celular.

Por uma questão de simplicidade, teóricos da origem da vida acreditam que o RNA teria se formado primeiro, enquanto o DNA seria um advento mais recente da evolução química. Além da simplicidade, a molécula de RNA é bastante versátil podendo desempenhar, além da função de armazenamento, função de catalisador de reações (as chamadas ribozimas) e a capacidade de autorreplicação. Uma molécula "faz-tudo" como essa seria certamente é um bom palpite para dar o pontapé na origem da bioquímica complexa.

A ideia de que os primeiros replicadores fossem moléculas de RNA deu origem ao que chamamos de hipótese do "mundo de RNA", termo cunhado em 1986 pelo físico e bioquímico Walter Gilbert (6). O mundo de RNA seria um passo intermediário entre a sopa primordial e a vida propriamente dita.

Segundo esta hipótese, na sopa primordial poderiam se formar espontaneamente bases nitrogenadas (você sabe: Adenina, Citosina, Timina, Guanina e Uracila); além de açúcares (como a ribose) que, juntamente com fosfato, poderiam se reunir em nucleotídeos. Por fim, os nucleotídeos (A, C, G e U, no caso) poderiam se agregar formando moléculas de RNA. Em um mundo de RNAs, há uma competição intensa entre os replicadores, fazendo com que haja uma seleção no nível bioquímico daqueles mais eficientes, levando a um aumento da complexidade das moléculas e de sua aptidão.

PROBLEMAS DO MUNDO DE RNA

Logo que a ideia de um mundo de RNA surgiu, alguns problemas vieram a tona. Vale aqui citar três questões principais.

1- Não se conheciam rotas de formação de bases nitrogenadas de forma espontânea.

Essa questão já está relativamente bem encaminhada. Um trabalho de 2019 conseguiu criar bases nitrogenadas a partir de precursores inorgânicos em laboratório (7).

2- O RNA é uma molécula bastante instável. Diferente do DNA, a molécula de RNA se degrada relativamente rápido tanto dentro de células quanto no ambiente.

Para essa questão há algumas propostas de solução. Foi teorizado que a formação de um polímero mais estável, chamado PNA, serviria de alternativa anterior ao mundo dos replicadores atuais que conhecemos (8). Alguns autores também propuseram soluções como a capacidade de metilação dos RNAs, o que poderia aumentar sua estabilidade (9).

3- A meia-vida das bases nitrogenadas é bastante curta. Isso significa que a velocidade de degradação da molécula é elevada, o que dificultaria o acúmulo de bases na sopa primordial para que as moléculas de RNA se formassem.

Essa questão ainda permanece um problema, e acreditem, não é um problema qualquer. Essa dificuldade expõe parte do que, na minha visão, é a maior fraqueza da hipótese heterotrófica de origem da vida. Mas por hora, não entrarei nos detalhes desse problema, pra não alongar demais esse texto.

***

Só posso pedir que aguardem o nosso próximo episódio, onde vamos nos debruçar sobre essa questão com mais detalhe e apresentarei a vocês a hipótese autotrófica, que é a visão sobre a qual essa série estará apoiada.  Espero que tenham gostado e até o próximo texto, pessoal!

REFERÊNCIAS

1- Oparin, A. I. (1924). Proischogdenie zhizni. Moscovsky Robotchii, Moscow.

2- Haldane, J. B. (1929). Rationalist Annual. The origin of Life, 148.

3- Peretó, J., Bada, J. L., & Lazcano, A. (2009). Charles Darwin and the origin of life. Origins of life and evolution of biospheres, 39(5), 395-406.

4- Miller, S. L. (1953). A production of amino acids under possible primitive earth conditions. Science, 117(3046), 528-529.

5- Lane, N. (2015). The vital question: energy, evolution, and the origins of complex life. WW Norton & Company. Capítulos 2 e 3.

6- Cech, T. R. (2012). The RNA worlds in context. Cold Spring Harbor perspectives in biology, 4(7), a006742.

7- Becker, S., Feldmann, J., Wiedemann, S., Okamura, H., Schneider, C., Iwan, K., ... & Carell, T. (2019). Unified prebiotically plausible synthesis of pyrimidine and purine RNA ribonucleotides. Science, 366(6461), 76-82.

8- Nelson, K. E., Levy, M., & Miller, S. L. (2000). Peptide nucleic acids rather than RNA may have been the first genetic molecule. Proceedings of the National Academy of Sciences, 97(8), 3868-3871.

9- Rana, A. K., & Ankri, S. (2016). Reviving the RNA world: an insight into the appearance of RNA methyltransferases. Frontiers in genetics, 7, 99.