Evolução e Design 1 - Artigo de Jack W Szstak - Protocélulas e autorreplicação de RNA - material para vídeo
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30181195/
Página de divulgação
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/?linkname=pubmed_pubmed&from_uid=30181195
(Artigos Semelhantes)
https://cshperspectives.cshlp.org/content/10/9/a034801.long
(Texto completo)
Protocélulas e autorreplicação de RNA
+Afiliações do autor
- Correspondência: gjoyce@salk.edu ; szostak@molbio.mgh.harvard.edu
RESUMO
A noção geral de um “mundo de RNA” é que, no desenvolvimento inicial da vida na Terra, a continuidade genética era assegurada pela replicação do RNA, e as moléculas de RNA eram os principais agentes da função catalítica. Assumindo que todos os componentes do RNA estavam disponíveis em algum local pré-biótico, esses componentes poderiam ter se reunido em nucleotídeos ativados que se condensaram para formar polímeros de RNA, preparando o cenário para a replicação química de polinucleotídeos por meio da polimerização de RNA modelada por RNA. Se uma diversidade suficiente de RNAs pudesse ser copiada com taxa e fidelidade razoáveis, então a evolução darwiniana começaria com RNAs que facilitassem sua própria reprodução desfrutando de uma vantagem seletiva. O conceito de uma “protocélula” se refere a um compartimento onde a replicação do material genético primitivo ocorreu e onde catalisadores primitivos deram origem a produtos que se acumularam localmente para o benefício da entidade celular replicante. A replicação tanto da protocélula quanto de seu material genético encapsulado teria permitido que a seleção natural operasse com base na aptidão diferencial de entidades celulares concorrentes, dando origem, em última análise, à vida celular moderna.
1 INTRODUÇÃO
As primeiras células devem ter sido simples em comparação com as células modernas altamente evoluídas e, portanto, são frequentemente chamadas de “protocélulas”. As protocélulas devem ter sido simples o suficiente para se automontarem espontaneamente em um ambiente quimicamente rico sob condições físicas apropriadas, mas suficientemente complexas para que estivessem prontas para evoluir para uma complexidade maior, dando origem a toda a biologia moderna ( Szostak et al. 2001 ). Que tipo de estrutura e composição celular teria sido consistente com os requisitos duais de simplicidade original e complexidade futura?
Dado que todas as células modernas são delimitadas por uma membrana celular semipermeável, é razoável postular que as protocélulas também eram estruturas delimitadas por membrana, embora com membranas muito diferentes das células modernas ( Deamer 1997 ). Da mesma forma, todas as células modernas contêm diversas moléculas de RNA que codificam informações e cumprem muitas funções bioquímicas. O papel central do RNA na bioquímica celular moderna, e especialmente o papel do grande RNA ribossômico como catalisador da síntese de proteínas ( Steitz e Moore 2003 ), fornece um argumento poderoso em apoio ao RNA como o biopolímero genético e funcional dominante em um estágio inicial na evolução da vida. Se o RNA, um parente próximo do RNA ou algum material genético muito mais simples formou a base original da hereditariedade protocelular permanece controverso. No entanto, avanços recentes na química prebiótica sugerem que o próprio RNA pode ter surgido diretamente da química da Terra jovem e, portanto, pode ter sido o polímero genético das primeiras protocélulas ( Sutherland 2016 ).
Muitos aspectos da biologia moderna são universais, incluindo o aparato de tradução e a síntese de proteína instruída, o metabolismo catalisado por enzimas e o transporte de membrana mediado por proteínas. No entanto, todos esses processos complexos são o resultado de uma evolução extensiva e, portanto, não poderiam estar presentes em protocélulas. Em contraste, peptídeos curtos não codificados e uma ampla gama de outros produtos da química prebiótica provavelmente estavam presentes e podem ter desempenhado papéis importantes no ambiente complexo necessário para nutrir a montagem, o crescimento e a divisão de protocélulas.
As protocélulas podem ser vistas como produtos de uma série de processos de automontagem que ocorreram em ambientes específicos da Terra primitiva que forneceram os blocos de construção químicos e fontes de energia necessários ( Fig. 1 ). A estrutura clássica da membrana de bicamada resulta da automontagem espontânea de moléculas anfifílicas separadas em um estado agregado de menor energia. A automontagem do RNA é mais complexa, mas, dados ribonucleotídeos adequadamente ativados, os polímeros de RNA podem se formar espontaneamente em superfícies minerais ( Ferris et al. 1996 ) ou simplesmente após o congelamento devido à concentração de ribonucleotídeos na fase eutética entre os cristais de gelo ( Kanavarioti et al. 2001 ).
Diagrama esquemático de uma protocélula. Protocélulas delimitadas por múltiplas membranas de bicamada compostas de moléculas anfifílicas simples teriam sido permeáveis a nucleotídeos e íons metálicos complexados com citrato ou outros ligantes. Moléculas maiores de RNA genômico e funcional teriam sido aprisionadas dentro do interior da protocélula. A replicação da protocélula envolveria crescimento e divisão do limite da membrana, bem como replicação do RNA genômico.
À medida que as folhas de membrana se formam, a alta energia da borda da membrana impulsiona o fechamento em vesículas, que aprisionarão moléculas como o RNA que estão presentes na solução circundante. Visto dessa forma, a montagem de protocélulas parece um processo direto e talvez inevitável, dado o ambiente certo. O problema real não é a formação de protocélulas, mas a replicação de protocélulas, incluindo o crescimento e a divisão da membrana de protocélulas e a replicação do material genético encapsulado. Além disso, esses processos devem ser mutuamente compatíveis, e as fontes de energia necessárias para impulsionar o crescimento e a divisão de protocélulas também devem ser compatíveis com a integridade dos componentes de protocélulas. A natureza desses processos de replicação e a maneira como a replicação de protocélulas levou à evolução de RNAs funcionais e, portanto, à complexidade do mundo de RNA é o assunto desta revisão.
2 SISTEMAS COMPARTMENTALIZADOS
Quais vantagens evolutivas a compartimentalização fornece em comparação com a replicação de moléculas informacionais em solução? Processos simples de seleção natural podem ocorrer em solução. Mesmo sem replicação, fatores químicos e físicos controlarão e alterarão as sequências que são geradas e persistem ( Chen e Nowak 2012 ). Em um ambiente que permite replicação não enzimática, sequências que são replicadas de forma mais eficiente terão uma vantagem seletiva. Portanto, espera-se que ciclos repetidos de replicação moldem a estrutura de uma população influenciando a composição da base, o comprimento do molde, a estrutura secundária e outras propriedades. Mas e quanto à evolução de propriedades funcionais, como reconhecimento molecular e catálise? Numerosos experimentos de seleção in vitro mostraram que, mesmo sem compartimentalização, podem ser obtidos RNAs que se ligam a um ligante ou catalisam uma reação de automodificação.
Na natureza, pressões seletivas podem favorecer a ligação a superfícies minerais, por exemplo, para evitar que RNAs sejam lavados para fora de um ambiente local favorável. No entanto, para funções mais complexas, como reações replicativas ou metabólicas catalisadas por RNA, alguma forma de compartimentalização se torna essencial. Considere um RNA que catalisa a formação de um metabólito que contribui para a replicação desse RNA, por exemplo, um nucleotídeo ativado. Em solução, os produtos dessa reação se difundirão para longe da ribozima que os gerou, falhando assim em beneficiar o próprio RNA e talvez beneficiando outros RNAs vizinhos. Um argumento semelhante pode ser feito com relação a uma replicase de RNA, que em solução livre pode replicar outros RNAs circundantes, falhando assim em se beneficiar. A compartimentalização permite o feedback positivo necessário para a evolução darwiniana, mantendo produtos úteis próximos aos catalisadores que os geraram e mantendo moléculas relacionadas por descendência fisicamente mais próximas, em média, em comparação com moléculas relacionadas mais distantes.
A compartimentalização também é essencial para evitar falhas no sistema causadas pela evolução de parasitas. A atividade de uma ribozima RNA replicase, ou mesmo qualquer ribozima, depende de sua estrutura dobrada, mas a formação de uma estrutura dobrada estável está em desacordo com as propriedades de um molde ideal, que é desdobrado e prontamente disponível para ser copiado. Em solução livre, os RNAs parasitas que são melhores moldes aumentarão às custas dos RNAs de replicase funcional, levando a uma queda populacional. Em uma população de pequenos compartimentos, no entanto, o surgimento de uma sequência parasitária em um compartimento não afetará a população como um todo, mesmo que condene os descendentes desse compartimento. Experimentalmente, mesmo a compartimentalização transitória é suficiente para evitar a extinção causada por parasitas ( Bansho et al. 2016 ; Matsumura et al. 2016 ). Essas considerações implicam que a compartimentalização é uma etapa essencial no caminho para a biologia. Mas das muitas maneiras pelas quais a compartimentalização pode ser alcançada, qual é a mais relevante para a origem da vida?
2.1 Prós e contras dos sistemas de membrana
A formação de compartimentos por meio da montagem de membranas bicamadas tem uma grande vantagem conceitual sobre outros tipos de compartimentos, a saber, sua continuidade com a biologia conhecida. Se as primeiras protocélulas fossem compartimentos ligados à membrana que pudessem crescer e se dividir, juntamente com a replicação de seu material genético encapsulado, então poderia haver uma linha contínua de descendência das primeiras protocélulas para toda a biologia celular subsequente. Outras formas de compartimentalização teriam que passar por uma transição para compartimentos baseados em membrana. Tal transição teria se tornado cada vez mais difícil à medida que o sistema de RNAs replicantes e funcionais se tornasse mais altamente adaptado a qualquer forma anterior de compartimentalização. Por exemplo, compartimentos que são mais abertos ao ambiente podem permitir a evolução de ribozimas que usam substratos grandes, polares ou carregados que se tornariam inacessíveis durante uma transição para o encapsulamento da membrana.
Existem, no entanto, vários desafios conceituais com uma estrutura de protocélula baseada em membrana. O principal deles é que as membranas de bicamada são uma barreira ao livre acesso aos substratos necessários para a replicação do genoma, principalmente nucleotídeos carregados. As membranas celulares modernas, compostas de fosfolipídios, esteróis e outros lipídios complexos, são barreiras quase completas à permeação de nucleotídeos e até mesmo cátions divalentes como Mg 2+ ( Deamer 1997 ). Como as células primitivas não teriam a sofisticada maquinaria de transporte que controla o tráfego molecular nas células modernas, as protocélulas devem ter sido delimitadas por membranas mais simples e permeáveis. As membranas formadas a partir de anfifílicos de cadeia única, como ácidos graxos e seus ésteres de glicerol, bem como álcoois graxos e compostos relacionados, tendem a ser muito mais permeáveis do que as membranas compostas de lipídios de duas cadeias. Cadeias alquílicas mais curtas também contribuem para o aumento da permeabilidade, mas requerem uma concentração crítica mais alta para a estabilidade da membrana de bicamada.
A síntese prebiótica de moléculas anfifílicas formadoras de membrana é pouco estudada. Cadeias de carbono altamente insaturadas são abundantes em nuvens moleculares interestelares ( Duley e Hu 2009 ), e essas moléculas podem estar entre os materiais de origem para as coleções heterogêneas de anfifílicos presentes em meteoritos ricos em matéria orgânica. Lipídios foram extraídos de condritos carbonáceos, como Murchison, e demonstraram se reunir em compartimentos semelhantes a vesículas ( Deamer 1985 ). Se os ácidos graxos lineares poderiam ser sintetizados por vias químicas robustas na Terra primitiva é menos claro. As vias mais bem estudadas envolvem a química do tipo Fischer-Tropsch, na qual o monóxido de carbono e o hidrogênio reagem sob alta temperatura e pressão na superfície de minerais de metais de transição para gerar cadeias lineares saturadas e terminalmente oxigenadas ( Rushdi e Simoneit 2001 ). No entanto, a relevância dessa química para as condições da Terra primitiva é debatida. Tais reações tendem a gerar distribuições de comprimento de cadeia que diminuem exponencialmente com o aumento do comprimento, sugerindo que as membranas resultantes seriam dominadas por ácidos graxos de cadeia curta e álcoois, mas estabilizadas por uma pequena fração de espécies de cadeia longa ( Budin et al. 2014 ).
As membranas protocelulares devem ser compatíveis com as condições físicas e químicas necessárias para a química do RNA. Como as membranas baseadas em ácidos graxos, a cópia não enzimática de RNA e a atividade da ribozima tendem a ser ótimas em concentrações moderadas de sal e pH neutro a levemente alcalino, esse requisito pode não parecer uma grande preocupação. No entanto, a cópia não enzimática de moldes de RNA requer concentrações muito altas de cátions divalentes, tipicamente Mg 2+ , e a maioria das ribozimas requer altas concentrações de Mg 2+ para atividade ótima. Em contraste, as membranas baseadas em ácidos graxos tornam-se instáveis em ≥4 m m Mg 2+ , indicando uma incompatibilidade aparente entre os dois sistemas.
Uma resolução potencial para esse conflito envolve a quelação de Mg 2+ por citrato, que protege as membranas dos efeitos disruptivos do Mg 2+ livre , ao mesmo tempo em que permite que a química de cópia de RNA não enzimática prossiga com apenas uma redução moderada da atividade ( Adamala e Szostak 2013a ). Como um benefício adicional, a degradação de RNA catalisada por Mg 2+ é prevenida pelo citrato. No entanto, é improvável que citrato suficiente estivesse presente no ambiente pré-biótico e, portanto, alternativas devem ser buscadas. Um peptídeo ácido curto no sítio ativo da RNA polimerase celular se liga ao Mg 2+ e o posiciona para catálise ( Zhang et al. 1999 ; Cramer et al. 2001 ). Peptídeos ácidos sintetizados prebioticamente poderiam ter desempenhado um papel semelhante na cópia inicial do RNA? A condensação de aminoácidos ácidos é catalisada por superfícies minerais carregadas positivamente ( Ferris et al. 1996 ), sugerindo que tais peptídeos podem ter estado disponíveis na Terra primitiva. Entretanto, a catálise da polimerização de RNA modelado por peptídeos ácidos não foi demonstrada. Alternativamente, estratégias de cópia de RNA que não requerem uma alta concentração de cátions divalentes contornariam o problema.
2.2 Alternativas aos sistemas de membrana
Um requisito fundamental para a evolução de características adaptativas complexas é restringir a difusão livre de polímeros genômicos e funcionais e seus produtos metabólicos para que mutações que levem a uma atividade melhorada tenham a oportunidade de beneficiar o mutante mais do que indivíduos selvagens próximos. Além disso, a compartimentalização é essencial para evitar um aumento fatal em sequências parasitárias. Embora esses requisitos pudessem ser atendidos por um sistema de vesículas em crescimento e divisão, outros mecanismos de isolamento espacial poderiam, em princípio, fornecer uma solução. Essas alternativas incluem rochas porosas, superfícies minerais particuladas, conjuntos não covalentes de oligonucleotídeos, gotículas de emulsão e gotículas separadas por fase, incluindo coacervados.
As rochas porosas vistas em fontes hidrotermais têm sido propostas há muito tempo como um possível local para a origem da vida ( Lane e Martin 2012 ). À medida que os fluidos aquecidos das fontes esfriam, os minerais dissolvidos formam precipitados e constroem uma rede de canais de microescala interconectados. Gradientes de temperatura transversais através desses canais foram propostos para dar suporte a uma combinação de termoforese e convecção, resultando em gradientes de concentração muito fortes ( Baaske et al. 2007 ).
Experimentos de laboratório usando capilares de vidro como análogos de canais de rochas porosas mostraram a concentração simultânea de ácidos graxos diluídos e DNA, levando à montagem de vesículas com DNA encapsulado próximo ao fundo do tubo capilar ( Budin et al. 2009 ). Experimentos subsequentes mostraram que gradientes de temperatura em canais estreitos podem concentrar oligonucleotídeos, facilitando a montagem de fitas de DNA mais longas ( Mast et al. 2013 ). A concentração como resultado da termoforese também pode enriquecer preferencialmente produtos mais longos em relação aos mais curtos, fornecendo um meio de superar o viés de replicação que favorece modelos mais curtos ( Kreysing et al. 2015 ). Como a termoforese é fortemente inibida por altas concentrações de sal, esse mecanismo de concentração só seria operativo em fontes hidrotermais de água doce, como as encontradas atualmente no Lago Yellowstone ( Inskeep et al. 2015 ). Não está claro como os ácidos nucleicos que evoluíram dentro dos compartimentos de rochas fariam a transição para os compartimentos de membrana. No entanto, os notáveis efeitos de concentração alcançados pela termoforese merecem estudos mais aprofundados.
Outro cenário para isolamento espacial envolve a montagem e replicação de RNA em superfícies minerais. A capacidade da argila montmorilonita de catalisar a polimerização de mononucleotídeos ativados é bem conhecida ( Ferris et al. 1996 ; Ferris 2002 ). Os RNAs resultantes são fortemente ligados à superfície mineral, sugerindo que as partículas minerais podem funcionar como compartimentos, com cada partícula carregando uma população espacialmente isolada de moléculas de RNA. Se os RNAs pudessem se replicar enquanto permanecessem pelo menos parcialmente ligados à superfície mineral, o sistema poderia, em princípio, dar suporte à evolução darwiniana de RNAs funcionais. Embora alguns trabalhos iniciais tenham apoiado a ideia de que os moldes de RNA podem ser copiados enquanto adsorvidos em uma superfície mineral ( Gibbs et al. 1980 ; Schwartz e Orgel 1985 ), mais trabalho é necessário para confirmar a síntese direcionada ao molde de RNA imobilizado em mineral.
Compartimentos baseados na separação de fase líquido-líquido, incluindo gotículas de coacervado, são uma terceira alternativa às vesículas de membrana. As fortes interações eletrostáticas entre ácidos nucleicos polianiônicos e vários policátions levam à formação de coacervados complexos, que, dependendo de sua composição e das condições ambientais, podem permanecer como gotículas líquidas. O conteúdo dessas gotículas é altamente concentrado em relação à solução em massa, e há pouca barreira à absorção de nutrientes do ambiente para as gotículas de coacervado. No entanto, gotículas separadas por fase estão sujeitas ao amadurecimento de Ostwald, levando ao crescimento de gotículas, e a eventos de fusão, levando à coalescência. Eventos de fusão podem ser bloqueados por um revestimento surfactante, mas isso eliminaria a vantagem presumida de acesso aprimorado a Mg 2+ e outras espécies carregadas ( Tang et al. 2014 ; Aumiller et al. 2016 ). Além disso, em alguns coacervados, os componentes do RNA são trocados rapidamente entre gotículas, então pode não haver o grau de isolamento necessário para o comportamento darwiniano ( Jia et al. 2014 ). Mais estudos são necessários para determinar se gotículas separadas por fase podem atuar como compartimentos isolados e se a replicação do RNA pode ser realizada em sistemas aquosos de duas fases.
Gotículas de emulsão fornecem uma quarta alternativa às vesículas de membrana. O acúmulo local de óleos de hidrocarbonetos na Terra primitiva não é implausível. Dada a mistura turbulenta suficiente e a presença de surfactantes estabilizadores, gotículas de emulsão de água em óleo provavelmente se formariam. Essas gotículas poderiam crescer por fusão ou amadurecimento de Ostwald, seguido por divisão induzida por cisalhamento, levando a um ciclo de crescimento e divisão. Embora atraente como um modelo simples de crescimento e divisão de protocélulas, a acessibilidade limitada de gotículas de emulsão aquosa a fontes de nutrientes seria um grande problema. No entanto, mesmo que as gotículas de emulsão não sejam diretamente relevantes para os cenários de origem da vida, elas fornecem um sistema de modelo interessante para o estudo laboratorial de fenômenos evolutivos ( Ichihashi et al. 2013 ).
Finalmente, os ácidos nucleicos podem fornecer a base para sua própria compartimentalização. O crescente campo do origami de DNA (e RNA) fornece muitos exemplos de compartimentos montados a partir de ácidos nucleicos (para revisões, veja Pinheiro et al. 2011 ; Hong et al. 2017 ). Um exemplo inicial foi a montagem de uma estrutura octaédrica a partir de um DNA de fita simples definido ( Shih et al. 2004 ). Em princípio, as fitas genômicas que se replicam dentro de tal compartimento podem codificar o próprio compartimento. Há exemplos de origami de DNA que passam por autorreplicação com base em processos de crescimento e divisão análogos aos dos sistemas de membrana ( Schulman et al. 2012 ). Até agora, no entanto, as propriedades de encapsulamento e replicação não foram combinadas em um único sistema.
2.3 Vias para a divisão de vesículas
Os primeiros trabalhos de Luisi e colegas exploraram processos que poderiam potencialmente levar ao crescimento e divisão de micelas e vesículas. Ao encapsular partículas de ferritina em vesículas pré-formadas de 1-palmitoil-2-oleoil- sn -glicerol-3-fosfatidilcolina (POPC), evidências de criomicroscopia eletrônica foram obtidas sugerindo que a adição de oleato às vesículas de POPC levou ao crescimento da vesícula e subsequente divisão ( Berclaz et al. 2001 ). Experimentos usando marcadores fluorescentes de área de membrana e conteúdo de vesícula confirmaram que a adição de oleato a vesículas pré-formadas levou ao crescimento, mas a divisão não foi observada a menos que as vesículas fossem forçadas através de pequenos poros ( Hanczyc et al. 2003 ). No entanto, a adição de excesso de micelas de oleato alcalino a vesículas de oleato pré-formadas, tamponadas em um pH mais baixo, levou a um aumento no número de vesículas. Surpreendentemente, o tamanho das vesículas recém-formadas era próximo ao das vesículas pré-formadas originais ( Rasi et al. 2004 ).
Mais recentemente, o crescimento da vesícula foi observado diretamente por microscopia de vídeo, após a adição de oleato a vesículas multilamelares maiores de ∼4 µm de diâmetro ( Zhu e Szostak 2009 ). Surpreendentemente, o crescimento da vesícula ocorreu por meio da extrusão de um filamento fino da bicamada mais externa. Com o tempo, esse filamento cresceu em comprimento, e o equilíbrio com as bicamadas internas resultou em uma vesícula multilamelar filamentosa sob condições nas quais o crescimento da área de superfície é muito mais rápido do que o crescimento do volume devido a restrições osmóticas. As vesículas filamentosas estão sujeitas a uma instabilidade de perolização que provavelmente contribui para a facilidade com que são fragmentadas sob estresse de cisalhamento leve. A agitação suave é suficiente para provocar a divisão da vesícula sem perda do conteúdo da vesícula.
Alternativamente, em um ambiente rico em tiois orgânicos, processos oxidativos fotoquímicos que levam à formação de dissulfeto podem induzir perolização extrema em tais vesículas, resultando em divisão espontânea em um grande número de pequenas vesículas filhas ( Zhu et al. 2012 ). Em contraste com o comportamento das vesículas multilamelares, as grandes vesículas unilamelares são frágeis e tendem a se romper com perda extensa de conteúdo sob estresse de cisalhamento. Essas características se combinam para tornar as vesículas multilamelares e o crescimento filamentoso atraentes como um meio de ciclos simples e ambientalmente orientados de crescimento e divisão, exigindo apenas a entrega episódica de anfifílicos adicionais e um ambiente moderadamente turbulento.
A competição entre vesículas por componentes de membrana limitantes poderia fornecer um cenário simples para o crescimento de protocélulas que elimina a necessidade de entrada periódica de novo material anfifílico. Se algumas vesículas em uma população forem capazes de crescer obtendo componentes de membrana de vesículas circundantes, muitas gerações de crescimento e divisão poderiam ocorrer dentro de um determinado local. Além disso, a competição resultante por recursos poderia impulsionar a seleção natural e, portanto, a evolução darwiniana.
A primeira demonstração experimental de competição entre protocélulas surgiu de estudos de crescimento osmoticamente conduzido ( Chen et al. 2004 ). Vesículas com alta concentração de RNA encapsulado estão osmoticamente inchadas e a membrana está sob tensão. Esse estado de alta energia pode ser relaxado pela incorporação de moléculas adicionais de ácido graxo na membrana. Como os anfifílicos de cadeia única trocam rapidamente entre vesículas, as vesículas de ácido graxo contendo RNA crescem na presença de vesículas de ácido graxo vazias (relaxadas). Esse mecanismo físico simples pode levar a um acoplamento entre a replicação do RNA e o crescimento da membrana e à competição entre protocélulas. No entanto, é energeticamente caro fazer com que vesículas osmoticamente inchadas se dividam, dificultando o acoplamento do crescimento competitivo a um ciclo celular geral mais rápido.
Estudos subsequentes revelaram que uma pequena fração de fosfolipídio em uma membrana amplamente de ácido graxo também pode levar ao crescimento competitivo ( Budin e Szostak 2011 ). Nesse caso, a competição resulta da dissociação mais lenta de moléculas de ácido graxo de membranas que contêm fosfolipídios, o que resulta no crescimento de vesículas contendo fosfolipídios às custas de vesículas que não contêm (ou contêm menos) fosfolipídios. Assim, qualquer vesícula que também contivesse um catalisador hereditário de síntese de fosfolipídios experimentaria uma forte vantagem seletiva. Outras moléculas que têm um efeito semelhante em retardar a dissociação de ácidos graxos, como peptídeos hidrofóbicos, também conferem uma vantagem de crescimento competitivo, o que implica que um RNA hereditário que catalisa a síntese de peptídeos hidrofóbicos também poderia fornecer uma vantagem seletiva por meio da competição no nível celular ( Adamala e Szostak 2013b ).
Uma alternativa ao crescimento de protocélulas por acreção molecular é o crescimento gradual por fusão de vesículas. Ciclos de fusão e divisão podem permitir que RNAs replicantes se espalhem por uma população de vesículas, com forte seleção para eficiência de replicação. Nesse cenário, a seleção para maior eficiência de replicação de RNA catalisada por RNA viria primeiro, seguida pela evolução de ribozimas adicionais devido à competição entre protocélulas. Ciclos úmidos/secos transformam vesículas em pilhas lamelares que, após reidratação, formam vesículas novamente. Ainda não está claro se ciclos úmidos/secos podem levar à disseminação de RNAs replicantes por uma população de vesículas. Estudos adicionais sobre o destino de RNAs encapsulados após ciclos úmidos/secos podem lançar luz sobre o papel potencial de tais processos na evolução inicial do RNA.
3 NATUREZA DO PRIMEIRO MATERIAL GENÉTICO
3.1 RNA como o primeiro material genético
A síntese prebiótica de nucleotídeos poderia ter ocorrido de várias maneiras. A mais simples, conceitualmente, seria sintetizar uma base nucleosídica, acoplá-la à ribose e, finalmente, fosforilar o nucleosídeo resultante. Estudos recentes, no entanto, sugerem que outras rotas podem ser mais viáveis, principalmente aquelas que envolvem a comontagem da base e do fosfato de açúcar.
Muitos açúcares, incluindo as quatro pentoses, reagem prontamente com cianamida para formar amino-oxazolinas bicíclicas estáveis ( Fig. 2 A) ( Sanchez e Orgel 1970 ). Os açúcares livres são instáveis ( Larralde et al. 1995 ) e não podem ser sintetizados diretamente na presença de cianamida. No entanto, os açúcares podem ser sintetizados em um local por meio da reação “formose” ( Mizuno e Weiss 1974 ; Müller et al. 1990 ; Ricardo et al. 2004 ; Kim et al. 2011 ), então combinados com cianamida em um local diferente para dar o açúcar amino-oxazolinas. Quando essa reação é realizada com uma mistura complexa de açúcares, o derivado de ribose cristaliza surpreendentemente da solução aquosa, segregando-o dos outros açúcares ( Springsteen e Joyce 2004 ).
Potencial síntese prebiótica de nucleosídeos de pirimidina. ( A ) Reação da ribose com cianamida para formar um produto bicíclico, com cianamida unida tanto no carbono anomérico quanto no 2-hidroxila. ( B ) Reação do glicolaldeído com cianamida em tampão de fosfato neutro, seguido pela adição de gliceraldeído, para formar ribose e arabinose amino-oxazolina (e quantidades menores dos compostos xilose e lixose). A arabinose amino-oxazolina então reage com cianoacetileno para dar citosina 2',3'-fosfato cíclico como o produto principal. ( C ) Reação análoga de arabinose-3-fosfato para formar um produto bicíclico, que então reage com cianoacetileno para formar um intermediário tricíclico que se hidrolisa para dar uma mistura de citosina arabinosídeo-3'-fosfato e citosina 2',3'-fosfato cíclico.
Sutherland e colegas ( Ingar et al. 2003 ; Anastasi et al. 2007 ; Powner et al. 2009 ) evitaram a complicação da síntese separada de açúcares começando simplesmente com glicolaldeído e cianamida, que na presença de 1 m de fosfato em pH neutro dá ao 2-amino-oxazol um excelente rendimento ( Fig. 2 B). O fosfato tampona e catalisa a reação, direcionando o glicolaldeído para o 2-amino-oxazol, em vez de uma mistura complexa de produtos. O gliceraldeído é então adicionado, resultando na formação de várias pentoses amino-oxazolinas, incluindo o composto arabinose. A arabinose amino-oxazolina, por sua vez, pode reagir com cianoacetileno, também em tampão fosfato, para formar citosina 2',3'-fosfato cíclico como o produto principal. Essa abordagem ainda requer reações sequenciais. Entretanto, o glicolaldeído e o gliceraldeído podem reagir com o 2-amino-tiazol para dar os aminais correspondentes, que precipitam seletivamente para dar reservatórios cristalinos desses intermediários principais ( Islam et al. 2017 ).
Uma rota potencial da arabinose amino-oxazolina para nucleotídeos de pirimidina foi explorada pela primeira vez há quase 40 anos ( Tapiero e Nagyvary 1971 ) e foi reexaminada à luz de rotas alternativas para as pentoses amino-oxazolinas ( Ingar et al. 2003 ). Como a arabinose, a arabinose 3-fosfato reage com a cianamida para dar a amino-oxazolina correspondente ( Fig. 2 C). Esta, por sua vez, reage com o cianoacetileno para formar um intermediário tricíclico que se hidrolisa para produzir uma mistura de citosina arabinosídeo-3'-fosfato e citosina 2',3'-fosfato cíclico. A ribose amino-oxazolina (RAO) também reage com o cianoacetileno, gerando o 2,2'-anidro-ribonucleosídeo, mas neste caso como o α-anômero. Entretanto, a abertura do anel deste composto com sulfeto gera α-2-tio-C, que prontamente fotoanomeriza para dar o β-anômero, que por sua vez dessulfura para dar C ou desamina para dar 2-tio-U e U ( Fig. 3 ) ( Xu et al. 2017 ).
Potencial síntese prebiótica de 2-tio-C a partir da ribose amino-oxazolina (RAO). RAO, que é gerado pela reação de gliceraldeído com 2-amino-oxazol, cristaliza prontamente, levando ao seu acúmulo como um reservatório de material purificado. A reação subsequente com cianoacetileno gera um intermediário anidronucleosídeo, que após ataque por hidrossulfeto fornece o α-anômero de 2-tio-C. A exposição à luz ultravioleta resulta em fotoanomerização para fornecer o β-anômero de 2-tio-C, que então dessulfura para formar citosina.
Uma abordagem semelhante foi aplicada à montagem quimiosseletiva de precursores de nucleotídeos de purina ( Powner et al. 2010 ). Há muito tempo se sabe para as purinas, mas não para as pirimidinas, que simplesmente aquecer a nucleobase com ribose ou ribose-fosfato resulta na síntese do ribonucleosídeo ou ribonucleotídeo correspondente, mas com baixo rendimento ( Fuller et al. 1972 ). Duas abordagens alternativas que foram exploradas recentemente envolvem a ribosilação da formamidopirimidina, que é seletiva para a posição N9, mas fornece uma mistura de α/β-furanosídeos e piranosídeos ( Becker et al. 2016 ), e uma rota do 2-tiooxazol para as tionas pentose amino-oxazolidinona e, finalmente, para os nucleotídeos 8-oxopurina correspondentes ( Stairs et al. 2017 ).
A história permanece incompleta, no entanto, porque essas sínteses ainda exigem reações temporalmente separadas usando altas concentrações apenas dos reagentes certos e seriam interrompidas pela presença de outros compostos intimamente relacionados. As reações canalizam o material para os produtos desejados, mas outros processos de fracionamento são necessários para fornecer os materiais de partida corretos no tempo e local necessários. Além dos processos de cristalização seletiva descritos acima, foi proposto que a precipitação de sais de ferrocianeto poderia gerar um reservatório concentrado de materiais de partida que podem ser liberados pela atividade geotérmica ( Patel et al. 2015 ). Outros processos de fracionamento potenciais, envolvendo síntese seletiva ou degradação seletiva, estão sendo ativamente buscados.
Mesmo o fracionamento químico não conseguiu atingir em escala macroscópica uma separação desejável, a resolução de D -ribonucleotídeos de seus L -enantiômeros. Este é um problema sério porque experimentos sobre a polimerização não enzimática direcionada a molde de mononucleotídeos ativados por imidazol sugerem que a polimerização do D -enantiômero é fortemente inibida pelo L -enantiômero ( Joyce et al. 1984 ). Esta dificuldade pode não ser insuperável; talvez com um modo diferente de ativação de fosfato, a inibição seria menos severa. No entanto, a inibição cruzada enantiomérica é certamente um problema sério se a vida surgisse em um ambiente racêmico.
É possível que o local para as origens da vida não fosse racêmico, embora o ambiente químico global contivesse quantidades quase iguais de cada par de estereoisômeros. Provavelmente houve vieses no inventário de compostos entregues à Terra por cometas e meteoritos ( Cronin e Pizzarello 1997 ; Engel e Macko 1997 ; Pizzarello et al. 2003 ; Glavin e Dworkin 2009 ). Estes, por sua vez, poderiam ter enviesado as sínteses terrestres, embora o nível de enriquecimento enantiomérico geralmente diminua com reações químicas sucessivas. Uma exceção especial envolve um conjunto notável de reações e processos de fracionamento que amplificam um ligeiro desequilíbrio quiral, até mesmo ao nível de homoquiralidade local ( Kondepudi et al. 1990 ; Soai et al. 1995 ; Viedma 2005 ; Klussmann et al. 2006 ; Noorduin et al. 2008 ; Viedma et al. 2008 ). Conforme discutido em outra parte desta coleção ( Blackmond 2018 ), esses sistemas têm em comum um processo catalítico para amplificação de moléculas de mesma mão e um processo de inibição para supressão de moléculas de mão oposta.
3.2 Alternativas potenciais ao RNA
Os problemas que surgem quando se tenta entender como um mundo de RNA poderia ter surgido de novo na Terra primitiva são suficientemente desafiadores para que se deva considerar outras possibilidades. Que tipo de sistemas genéticos alternativos podem ter precedido o mundo de RNA? Como eles poderiam ter “inventado” o mundo de RNA? Esses tópicos geraram uma boa dose de interesse especulativo e alguns dados experimentais relevantes.
Eschenmoser e colegas realizaram um estudo sistemático das propriedades de análogos de ácidos nucleicos nos quais a ribose é substituída por algum outro açúcar, ou nos quais a forma furanose da ribose é substituída pela forma piranose ( Fig. 4 ) ( Eschenmoser 1999 ). Surpreendentemente, polinucleotídeos baseados no análogo piranosil da ribose (p-RNA) formam hélices duplas pareadas de Watson-Crick que são mais estáveis do que o RNA, e os p-RNAs são menos propensos do que os RNAs correspondentes a formar estruturas concorrentes de múltiplas fitas ( Pitsch et al. 1993 , 1995 , 2003 ). Além disso, as hélices se torcem muito mais gradualmente do que as dos ácidos nucleicos padrão, o que deve facilitar a separação das fitas de p-RNA durante a replicação. O p-RNA parece ser uma excelente escolha como um sistema genético; de certa forma, parece uma melhoria em comparação com os ácidos nucleicos padrão. Entretanto, o p-RNA não interage com o RNA normal para formar hélices duplas pareadas de bases.
As estruturas de ( A ) RNA; ( B ) p-RNA; ( C ) TNA; e ( D ) GNA.
A maioria das estruturas de dupla hélice relatadas na literatura são caracterizadas por uma espinha dorsal com uma repetição de seis átomos. Eschenmoser e colegas fizeram a descoberta surpreendente de que uma estrutura semelhante a RNA baseada em análogos de nucleotídeos de treose (TNA; Fig. 4 C), embora envolva uma repetição de cinco átomos, ainda pode formar uma estrutura de dupla hélice estável com RNA padrão ( Schöning et al. 2000 ). Isso fornece um exemplo de um sistema de pareamento baseado em um açúcar que poderia ser formado mais prontamente do que a ribose. Tetroses são os produtos exclusivos da dimerização do glicolaldeído, enquanto pentoses são formadas junto com tetroses e hexoses a partir do glicolaldeído e gliceraldeído. Uma simplificação estrutural do TNA de Eschenmoser foi alcançada por Meggers e colegas ( Zhang et al. 2005 ). Eles substituíram a treose por seu análogo de cadeia aberta, o glicol, na estrutura do TNA, resultando no ácido nucleico glicol (GNA; Fig. 4 D). Oligômeros complementares do GNA formam hélices duplas antiparalelas com estabilidades duplex surpreendentemente altas. O monômero ativado do GNA é suscetível à ciclização intramolecular, mas isso pode ser superado usando blocos de construção oligoméricos curtos ou diméricos.
Esses e outros estudos semelhantes sugerem que há muitas maneiras de unir as bases de nucleotídeos em cadeias que são capazes de formar duplas hélices pareadas por bases. Não está claro se é muito mais fácil sintetizar os monômeros de p-RNA, TNA ou GNA do que sintetizar os nucleotídeos padrão. No entanto, é possível que uma estrutura pareada por bases desse tipo seja descoberta e possa ser sintetizada prontamente em condições pré-bióticas. Também pode ser proveitoso explorar uma gama mais ampla de potenciais precursores do RNA, alterando os elementos de reconhecimento, bem como a estrutura principal. Um forte candidato para o primeiro material genético seria qualquer macromolécula informacional que seja replicável de maneira geral de sequência e derive de compostos que teriam sido abundantes na Terra primitiva e, de preferência, tenha a capacidade de parear com o RNA.
4 SISTEMAS QUÍMICOS DE REPLICAÇÃO DE RNA
4.1 Polimerização modelada de mononucleotídeos
A polimerização não enzimática de nucleotídeos ativados, direcionada por molde, tem sido estudada por décadas como um modelo para o surgimento de sistemas informacionais replicantes durante a origem da vida. Em vez de recontar a história detalhada deste campo, que foi extensivamente revisada ( Joyce 2002 ; Orgel 2004 ), esta revisão se concentra em desenvolvimentos recentes que levaram a melhorias significativas na extensão e generalidade da síntese de RNA com molde de RNA, concluindo com uma discussão sobre as barreiras restantes ao desenvolvimento da química de replicação prebioticamente plausível.
A extensão de primer direcionada a modelo com monômeros ativados por imidazol é atraente como um meio prebiótico de copiar modelos de RNA, em parte por sua similaridade com os processos biológicos universais de replicação enzimática de RNA e DNA. Desde a descoberta em 1981 de que o 2-metilimidazol (2MeI) é um agente ativador de nucleotídeos especialmente bom ( Inoue e Orgel 1981 , 1983 ), os nucleosídeos 5'-fosforo-2-metilimidazolidas têm sido amplamente usados para experimentos de extensão de primer. O mecanismo da reação entre uma cadeia de primer em crescimento e um monômero ativado por imidazol de entrada foi assumido como paralelo ao da extensão de primer enzimático, que prossegue por meio da substituição nucleofílica S N 2 em linha. No entanto, a taxa muito lenta na qual o último nucleotídeo de um molde é copiado em relação aos locais internos ( Wu e Orgel 1992a ), sugeriu que outros fatores influenciaram a reação. De fato, os mesmos pesquisadores mostraram que a reação do primer com um nucleotídeo ativado é catalisada por um nucleotídeo ativado a jusante que é pareado por base ao molde na posição +2 do primer. Além disso, a identidade do grupo de saída no 5'-fosfato do nucleotídeo a jusante tem um grande efeito na taxa de reação entre o primer e o monômero adjacente ( Wu e Orgel 1992b ). Somente recentemente o mecanismo por trás desses efeitos se tornou claro.
No curso da comparação das taxas de ligação de oligonucleotídeos e extensão de primer, Prywes e Szostak redescobriram o efeito catalítico de um nucleotídeo ativado a jusante e mostraram que esse efeito é muito mais forte para um oligonucleotídeo do que para um mononucleotídeo na posição a jusante ( Prywes et al. 2016 ). Inicialmente, pensava-se que a catálise resultava de interações não covalentes entre os grupos de saída de nucleotídeos ativados adjacentes, mas experimentos subsequentes sugeriram que a interação relevante era covalente e envolvia a formação fora do molde de um intermediário reativo. Experimentos de ressonância magnética nuclear identificaram esse intermediário como um dinucleotídeo com ponte 5',5'-imidazólio, gerado por um ataque do nitrogênio nucleofílico de um fosforoimidazolida não protonado no fosfato de um imidazolida protonado ( Fig. 5 ). A especificidade do molde da extensão do primer sugeriu que o intermediário poderia se ligar ao molde por meio de dois pares de bases Watson-Crick adjacentes ( Walton e Szostak 2016 ). O laboratório Richert também observou a formação de um dinucleotídeo com ponte imidazólio e sua alta reatividade em reações de extensão de primer ( Kervio et al. 2016 ). Estudos cinéticos mais recentes de extensão de primer com monômeros ativados por 2-aminoimidazol (2AI) mostraram que toda extensão de primer detectável ocorre por meio do intermediário 2-aminoimidazólio e não por meio da reação de um primer com um monômero ativado ( Walton e Szostak 2017 ).
Formação de um dinucleotídeo com ponte imidazólio ligado 5',5', que é o intermediário reativo na polimerização direcionada ao molde de nucleotídeos ativados por imidazol.
4.2 Meios alternativos de ativação de monômeros
O laboratório Richert explorou uma ampla gama de grupos ativadores de fosfato em um esforço para melhorar a taxa e a generalidade da química de extensão do primer. Um dos problemas com a extensão do primer não enzimática é que o 3'-hidroxil do primer deve ser desprotonado durante o ataque nucleofílico ao fosfato do monômero de entrada. Por outro lado, um grupo ativador baseado em imidazol deve ser protonado para funcionar como um grupo de saída, e isso normalmente requer um pH mais baixo porque o p K a desse grupo está na faixa de 6–8. Portanto, um grupo de saída que sai como um ânion (com baixo p K a ) pode fornecer uma taxa de reação muito mais rápida em pH elevado. O 1-hidroxi-7-azabenzotriazol (HOAt) funciona dessa maneira e resulta em uma rápida extensão do primer atribuível à reação direta do primer com o monômero ativado por HOAt ( Kervio et al. 2016 ).
Uma abordagem relacionada é usar um N -alquil-imidazol como um agente ativador porque ele pode sair como uma espécie neutra que não requer protonação. Seguindo essa abordagem, o laboratório Richert usou N -etil-imidazol (NEI) como um organocatalisador para facilitar a ativação de nucleotídeos in situ com 1-etil-3-(3-dimetilaminopropil)carbodiimida (EDC). O nucleosídeo 5'-fosfato reage primeiro com EDC para formar um intermediário de isourea reativo, então o deslocamento por NEI produz monômeros ativados por NEI que podem então reagir com o primer ( Jauker et al. 2015 ). Embora os nucleotídeos ativados altamente reativos sejam lábeis à hidrólise em pH elevado, a adição contínua de EDC poderia, em princípio, levar à extensão contínua do primer. Um meio eficiente e prebioticamente plausível de realizar a ativação de nucleotídeos e a extensão do primer na mesma mistura de reação simplificaria muito as condições necessárias para a replicação da protocélula.
Em vista do efeito catalítico na extensão do primer por um nucleotídeo ativado a jusante, uma série de imidazóis substituídos foram testados quanto à sua influência na taxa de reação, em todos os casos com guanilato ativado por 2MeI como o monômero de entrada. A magnitude do efeito catalítico correlacionou-se positivamente com o p K a do imidazol e com um tamanho menor do substituinte imidazol. 2AI tem ambas as propriedades e provou ser um grupo ativador superior ( Li et al. 2017 ). Este efeito é agora compreendido como refletindo, pelo menos em parte, a maior estabilidade do intermediário dinucleotídeo com ponte de 2-aminoimidazólio em comparação com o intermediário 2-metilimidazólio relativamente instável. Isso permite que o intermediário 2AI acumule níveis mais altos, aumentando significativamente a taxa e a extensão da extensão do primer ( Walton e Szostak 2017 ). A potencial síntese prebiótica de 2AI é intrigante porque pode ser gerada na mesma mistura de reação que o heterociclo relacionado 2-aminooxazol, um precursor dos nucleotídeos de pirimidina ( Fahrenbach et al. 2017 ).
4.3 Modos alternativos de alongamento de fios
A extensão de primer com monômeros ativados é um modo biologicamente inspirado de cópia de molde. Em princípio, no entanto, a cópia de molde também pode ser realizada pela ligação de oligonucleotídeos ativados. Infelizmente, reações de ligação de RNA não enzimáticas tendem a ter baixo rendimento e baixa fidelidade. Uma exceção interessante vem de um estudo de ligação direcionada a molde de oligonucleotídeos de DNA mediada por brometo de cianogênio ( James e Ellington 1997 ). Embora ainda de baixo rendimento, quando hexâmeros aleatórios foram recozidos a um molde definido, a maioria dos produtos de ligação teve complementaridade perfeita com o molde. Este estudo sugere que a ligação de oligonucleotídeos pode desempenhar um papel significativo na síntese não enzimática de molde de RNA, se uma química de ligação mais eficiente puder ser definida.
A ligação de oligonucleotídeos ativados na extremidade 2'(3') tem sido tradicionalmente dificultada pelo fato de que a ativação de um 2'- ou 3'-fosfato, por exemplo, por reação com cianoimidazol ou EDC, leva à rápida formação de um fosfato cíclico 2',3', que é apenas fracamente ativado e produz predominantemente produtos de ligação ligados a 2',5'. Este resultado pode ser parcialmente evitado se o 3'-fosfato for primeiro acetilado por reação com N -acetil-imidazol ou outros reagentes de acetilação, caso em que o grupo acetil é preferencialmente transferido para o 2'-hidroxil ( Bowler et al. 2013 ). A ativação subsequente do 3'-fosfato permite a ligação e a formação de um 3',5'-fosfodiéster. Em uma etapa final, o 2'-hidroxila é regenerado pela perda hidrolítica lenta do grupo acetil. Este processo pode ser iterado para substituir ligações lábeis 2',5', que levam à clivagem da fita por transesterificação, com uma proporção progressivamente maior das ligações 3',5' mais estáveis ( Mariani e Sutherland 2017 ).
Surpreendentemente, a taxa de ligação de um primer a um oligonucleotídeo ativado por 5'-imidazol é muito lenta em comparação com a taxa de extensão do primer com monômeros ativados de forma semelhante ( Prywes et al. 2016 ). Isso agora é explicado pelo fato de que a extensão do primer com monômeros prossegue através do intermediário dinucleotídeo com ponte imidazólio altamente reativo discutido acima ( Walton e Szostak 2017 ). Como a reação de ligação é lenta, o rendimento final é determinado pela competição com a hidrólise do fosfato ativado. Isso sugere que a química que reativaria substratos hidrolisados, como a combinação de EDC e um N -alquil imidazol explorado pelo laboratório Richert ( Jauker et al. 2015 ), poderia levar a um alto rendimento de ligação.
Como os oligonucleotídeos podem ter um longo tempo de residência no molde, uma taxa lenta de ligação não é necessariamente um problema, desde que a reação possa ir até a conclusão. Uma possibilidade intrigante é que um processo híbrido, no qual oligonucleotídeos curtos atuam como primers em vários locais em um molde, seguido pelo preenchimento de lacunas pela extensão do primer com monômeros, e um estágio final de ligação de oligonucleotídeos, poderia resultar em cópia efetiva de moldes longos de RNA ( Szostak 2011 ). Tal processo híbrido evitaria algumas das dificuldades inerentes à cópia de moldes somente pela ligação de substratos de oligonucleotídeos, como a formação de lacunas ou saliências.
4.4 Fidelidade e o Limiar de Erro
O conceito de um limite de erro, ou seja, um limite superior para a frequência de erros de cópia que podem ser tolerados por uma macromolécula replicante, foi introduzido pela primeira vez por Eigen (1971) . O modelo de Eigen previa uma população de polinucleotídeos replicantes que recorrem a um suprimento limitado de mononucleotídeos ativados para produzir cópias adicionais de si mesmos. Neste modelo, a taxa de síntese de novas cópias de um RNA replicante específico é proporcional à sua concentração, resultando em crescimento autocatalítico. A taxa líquida de produção é a diferença entre a taxa de formação de cópias sem erros e a taxa de decomposição de cópias existentes do RNA. Para que um RNA vantajoso supere seus concorrentes, sua taxa líquida de produção deve exceder a taxa média de produção de todos os outros RNAs na população. Apenas as cópias sem erros do RNA vantajoso contribuem para sua taxa líquida de produção, mas todas as cópias dos outros RNAs contribuem para sua produção coletiva. Assim, a vantagem relativa desfrutada pelo indivíduo vantajoso em comparação com o resto da população (frequentemente referida como a “superioridade” do indivíduo vantajoso) deve exceder a probabilidade de produzir uma cópia errada desse indivíduo vantajoso.
A proporção de cópias de um RNA que são livres de erros é determinada pela fidelidade das reações de condensação de componentes que são necessárias para produzir uma cópia completa. Para simplificar, considere um RNA autorreplicante que é formado por n reações de condensação, cada uma tendo fidelidade média q . A probabilidade de obter uma cópia completamente livre de erros é dada por q n , que é o produto da fidelidade das reações de condensação de componentes. Se um indivíduo vantajoso deve superar seus concorrentes, q n deve exceder a superioridade, s , desse indivíduo. Expresso em termos do número de reações necessárias para produzir o indivíduo vantajoso,
n < |ln s | / |ln q |.
Para s > 1 e q > 0,9, esta equação simplifica-se para
n < ln s / (1 – q ).
Este é o “limiar de erro”, que descreve a relação inversa entre a fidelidade da replicação, q , e o número máximo permitido de reações de condensação de componentes, n . O número máximo de reações de componentes é altamente sensível à fidelidade da replicação, mas depende apenas fracamente da superioridade do indivíduo vantajoso. Para um RNA autorreplicante que é formado pela condensação direcionada ao molde de mononucleotídeos ativados, um total de 2 n – 2 reações de condensação são necessárias para produzir uma cópia completa. Isso leva em consideração a síntese de ambas as fitas complementares.
Quando a replicação química foi estabelecida pela primeira vez, a fidelidade provavelmente seria ruim e haveria uma forte pressão de seleção favorecendo a melhoria da fidelidade. À medida que a fidelidade melhora, um genoma maior pode ser mantido. Isso permite a exploração de um número maior de sequências possíveis, algumas das quais podem levar a uma melhoria adicional na fidelidade, o que por sua vez permite um tamanho de genoma ainda maior, e assim por diante. Se alguém assumir que os primeiros genomas codificaram uma ribozima pequena, mas relativamente eficiente, para a qual a identidade de aproximadamente 25 nucleotídeos deve ser especificada, então uma fidelidade de ∼0,98 seria necessária para permitir a herança das informações correspondentes.
Uma análise das taxas de erro na polimerização de nucleotídeos ativados por imidazol com modelo de RNA indicou que a maioria dos erros resulta do pareamento de oscilação G•U ( Rajamani et al. 2010 ). As taxas de erro gerais calculadas desse estudo foram de 5% a 15%, o que limitaria severamente o tamanho de um genoma primitivo. No entanto, a extensão do primer após uma incompatibilidade foi geralmente muito lenta, dependendo da incompatibilidade específica. Esse efeito de paralisação retarda a cópia do modelo, mas, como consequência, as primeiras cópias a serem concluídas têm mais probabilidade de serem precisas em comparação com aquelas concluídas posteriormente. Se cópias de comprimento total puderem servir como modelos para a próxima rodada de cópias assim que forem concluídas, haverá enriquecimento para cópias precisas durante o curso da amplificação exponencial.
A fidelidade da cópia do modelo pode ser melhorada pelo uso de análogos de nucleotídeos. O pareamento de bases fraco de U com A permite a incorporação errônea de C oposto a A, e a força similar dos pares de bases U•A e U•G permite a incorporação errônea de U oposto a G. Notavelmente, a substituição de U por 2-tio-U reduz ambas as fontes de erros porque o par de bases 2-tio-U•A é quase tão forte quanto um par de bases C•G. Experimentos de cópia de modelo com monômeros ativados por 2MeI sugerem que essa substituição reduz os erros de pareamento de oscilação de 4%–5% para ∼2% nas posições G do modelo, sugerindo que uma taxa geral de erro de 1%–2% pode ser possível ( Heuberger et al. 2015 ).
A substituição de U por 2-tio-U também resulta em uma cópia mais rápida e eficiente de modelos que contêm resíduos A. O efeito combinado de uma cópia mais rápida e precisa torna a substituição de 2-tio atraente e levanta a questão da plausibilidade prebiótica de 2-tio-U. Avanços recentes na química prebiótica de nucleotídeos de pirimidina sugerem que uma mistura de U e 2-tio-U pode ser obtida por meio da síntese de 2-tio-C, seguida por desaminação espontânea ( Fig. 5 ) ( Xu et al. 2017 ). O 2-tio-U seria então preferencialmente incorporado ao RNA. Embora especulativa neste ponto, vale a pena considerar a hipótese de que o RNA primordial continha 2-thio-U em vez de U.
4.5 Ciclos completos de replicação
A herança de informações genéticas baseadas em RNA requer ciclos de síntese de fita positiva e negativa. Como o produto da cópia do molde é um RNA fita dupla, deve haver algum meio de síntese de separação de fita ou de deslocamento de fita. Flutuações transitórias de temperatura podem levar à separação térmica da fita, mas duplexes longos de RNA (≥30 pares de bases) são difíceis de desnaturar termicamente. Muitos fatores ambientais afetam a temperatura de fusão dos duplexes de RNA e podem facilitar a separação térmica da fita, como baixa força iônica ou a presença de altas concentrações de formamida ou ureia.
Um problema mais difícil é que o reanelamento de fita é muito rápido em relação à escala de tempo da cópia do modelo não enzimático. O reanelamento de fita pode ser retardado pela diluição, mas atingir um tempo de reanelamento de horas exigiria concentrações de fita na faixa picomolar, o que provavelmente seria muito baixo para manter a replicação do RNA dentro de uma protocélula. Assim, as condições ambientais que podem retardar drasticamente a cinética do reanelamento são de grande interesse. Trabalhos recentes de Hud e colegas mostraram que a combinação da estrutura secundária do modelo e alta viscosidade do solvente pode retardar significativamente o reanelamento de modelos longos (300–500 nucleotídeos), enquanto ainda permite que oligonucleotídeos mais curtos (∼30 nucleotídeos) se difundam rapidamente e se aneiem a locais complementares no modelo onde a ligação pode ocorrer ( He et al. 2017 ). Se essa abordagem pode ser estendida a modelos mais curtos e cópia com monômeros ou oligonucleotídeos curtos ainda está para ser visto.
Recentemente, estudos de separação de fase líquido-líquido sugerem que esse fenômeno pode ser relevante para a estrutura e função da protocélula ( Koga et al. 2011 ; Frankel et al. 2016 ). A alta viscosidade de gotículas separadas por fase pode retardar o reanelamento, enquanto a colocalização de moldes e substratos de RNA pode facilitar a cópia do molde ( Aumiller et al. 2016 ). A observação recente de gotículas separadas por fase contendo apenas RNA é intrigante a esse respeito ( Jain e Vale 2017 ). Essas gotículas se formam quando os RNAs contêm certas repetições de tripletos, que permitem a formação de uma rede interconectada altamente ramificada. As gotículas parecem ser líquidas após a separação de fase inicial, mas amadurecem rapidamente para um estado semelhante a gel. É possível que os fios do molde presos dentro de tal matriz sejam incapazes de se difundir e, portanto, reanelar, mas ainda podem ser copiados por substratos curtos de oligonucleotídeos ou monômeros. Qualquer meio físico de imobilização de fitas de RNA após a separação das fitas poderia impedir o reanelamento, portanto, a ligação do RNA a superfícies como membranas, partículas minerais ou filamentos peptídicos automontados poderia potencialmente facilitar a replicação.
A solução alternativa de síntese de deslocamento de fita é atraente porque essa é a estratégia que é universalmente usada em biologia. No entanto, o deslocamento de fita biológica depende de helicases e/ou polimerases que podem transduzir parte da energia química usada para conduzir a extensão do primer na energia mecânica necessária para a separação da fita. Não está claro como isso poderia ser alcançado em um ambiente prebiótico desprovido de enzimas.
4.6 Situação atual dos sistemas de replicação de protocélulas de laboratório
A realização experimental de um modelo de protocélula completo exigirá a replicação de moldes de sequência mista longos o suficiente para codificar ribozimas funcionais dentro de vesículas replicantes. Esse objetivo tem sido gradualmente abordado na última década. A primeira demonstração de cópia de molde não enzimático dentro de vesículas de ácido graxo foi obtida copiando um molde de RNA com 2'-amino-nucleotídeos ativados em 5'. Esse modelo tinha a vantagem de rápida extensão do primer na ausência de Mg 2+ ( Mansy et al. 2008 ). Cinco anos depois, descobriu-se que a quelação de Mg 2+ com citrato protegia as membranas de ácidos graxos, ao mesmo tempo em que permitia que a polimerização do RNA modelado prosseguisse. A adição de citrato permitiu a cópia de um molde de homopolímero de RNA dentro de vesículas de ácido graxo. [Vejamos o que o autor afirmou anteriormente: "No entanto, é improvável que citrato suficiente estivesse presente no ambiente pré-biótico e, portanto, alternativas devem ser buscadas.] Posteriormente, o uso do grupo de saída 2AI combinado com trinucleotídeos ativados a jusante permitiu a cópia eficiente de moldes de sequência mista contendo até sete nucleotídeos. Essa abordagem foi recentemente adaptada para cópia de moldes dentro de vesículas aumentando a permeabilidade de membranas de ácidos graxos usando Mg 2+ -citrato. Como resultado, foi possível copiar moldes curtos de RNA dentro de vesículas de ácidos graxos após a adição de monômeros e trímeros ativados na parte externa das vesículas ( O'Flaherty et al. 2018 ).
5 SISTEMAS DE REPLICAÇÃO CATALIZADOS POR RNA
5.1 O modelo Replicase
A noção do mundo do RNA coloca ênfase em uma molécula de RNA que catalisa sua própria replicação. Tal molécula deve funcionar como uma RNA polimerase dependente de RNA, agindo sobre si mesma (ou cópias de si mesma) para produzir RNAs complementares, e agindo sobre os RNAs complementares para produzir cópias adicionais de si mesma. A eficiência e a fidelidade desse processo devem ser suficientes para produzir moléculas de RNA “progenitoras” viáveis a uma taxa que exceda a taxa de decomposição dos “pais”. Além desses requisitos, os detalhes do processo de replicação não são altamente restritos.
A visão RNA-first da origem da vida assume que um suprimento de nucleotídeos ativados estava disponível por meio de algum conjunto de processos abióticos. Além disso, assume que existia um meio de converter os nucleotídeos ativados em um conjunto de polinucleotídeos de sequência aleatória, um subconjunto dos quais tinha a capacidade de sofrer replicação não enzimática. Dessa população de RNAs replicantes, RNAs particulares teriam ganhado em abundância relativa se tivessem uma vantagem seletiva devido a uma maior taxa líquida de produção. Teria havido seleção para as sequências de molde mais favoráveis e para RNAs que promovem o processo de replicação. A forma mais rudimentar de função de replicase envolveria assistência de replicação química para melhorar essa taxa, precisão ou generalidade de sequência da síntese de RNA. Com a pressão seletiva contínua, esse processo de replicação química seria suplantado por um processo de replicação bioquímica. Este último provavelmente usou um grupo ativador menos reativo, mas energeticamente favorável, nos mononucleotídeos, como um polifosfato, de modo que a reação catalisada por RNA dominasse a polimerização espontânea.
Embora não esteja claro como surgiu a primeira ribozima de replicase de RNA, não é difícil imaginar como tal molécula, uma vez desenvolvida, funcionaria. A polimerização de nucleotídeos ativados ocorre por meio de ataque nucleofílico pelo 3'-hidroxila de um oligonucleotídeo ligado ao molde no α-fósforo de um derivado de nucleotídeo ligado ao molde adjacente. Essa reação pode ser auxiliada pela orientação favorável dos grupos reativos, desprotonação do 3'-hidroxila nucleofílico, estabilização do estado de transição trigonal-bipiramidal ou neutralização de carga do grupo de saída. Todas essas tarefas podem ser realizadas pelo RNA ( Narlikar e Herschlag 1997 ; Emilsson et al. 2003 ), agindo sozinho ( Strobel e Ortoleva-Donnelly 1999 ) ou com a ajuda de um cátion metálico adequadamente posicionado ou outro cofator ( Shan et al. 1999 , 2001 ).
5.2 Da Ligase à Polimerase
A possibilidade de que uma ribozima de replicase de RNA pudesse ter existido foi esclarecida abundantemente pelo trabalho envolvendo ribozimas que foram desenvolvidas por meio da evolução in vitro ( Bartel e Szostak 1993 ; Ekland et al. 1995 ; Ekland e Bartel 1996 ; Jaeger et al. 1999 ; Robertson e Ellington 1999 ; Johnston et al. 2001 ; Rogers e Joyce 2001 ; McGinness e Joyce 2002 ; Ikawa et al. 2004 ; Wochner et al. 2011 ; Sczepanski e Joyce 2014 ; Horning e Joyce 2016 ). Bartel e Szostak (1993) , por exemplo, começaram com uma grande população de RNAs de sequência aleatória e desenvolveram a ribozima ligase de RNA de “classe I”, uma versão otimizada da qual tem cerca de 100 nucleotídeos de comprimento e catalisa a união de dois oligonucleotídeos ligados ao molde. A condensação ocorre entre o 3'-hidroxila de um oligonucleotídeo e o 5'-trifosfato de outro, formando uma ligação 3',5'-fosfodiéster e liberando pirofosfato inorgânico. Esta reação é classificada como ligação devido à natureza dos substratos de oligonucleotídeos, mas envolve a mesma transformação química que é catalisada pelas enzimas modernas de RNA polimerase.
Estruturas de cristal de raios X de duas ribozimas de ligase de RNA, as ligases L1 e classe I, fornecem um vislumbre das estratégias mecanicistas que uma ribozima poderia usar para catalisar a polimerização de RNA ( Fig. 6 ) ( Robertson e Scott 2007 ; Shechner et al. 2009 ). Ambas as ligases são dependentes de íons Mg 2+ para sua atividade. A estrutura L1 ( Fig. 6 A) mostra um íon metálico ligado no sítio ativo, coordenado por três oxigênios de fosfato não ponteantes, um dos quais pertence à ligação fosfodiéster recém-formada. Este íon Mg 2+ está favoravelmente posicionado para ajudar a neutralizar a carga negativa aumentada do estado de transição e, potencialmente, para ativar o nucleófilo 3'-hidroxila e para ajudar a orientar o α-fosfato para um alinhamento em linha mais otimizado. Na estrutura de classe I ( Fig. 6 B), nenhum íon metálico catalítico é visto na vizinhança do sítio ativo, embora haja o que parece ser um sítio de ligação de metal vazio formado por dois oxigênios de fosfato não ponteados, posicionados diretamente opostos à junção de ligação de uma maneira similar àquela observada para a ligase L1. Essas estruturas apontam para uma estratégia catalítica universal, muito similar àquela usada pelas modernas RNA polimerases baseadas em proteínas.
Estrutura cristalina de raios X das ribozimas ligase ( A ) L1 e ligase classe I ( B ). Os encartes mostram os supostos locais de ligação do íon magnésio nas respectivas junções de ligação. As estruturas são renderizadas em continuum de arco-íris, com a extremidade portadora de 5'-trifosfato da ribozima colorida em violeta e a extremidade portadora de 3'-hidroxila do substrato colorida em vermelho. O fosfato na junção de ligação é mostrado em branco, e o íon magnésio próximo (modelado para a ligase classe I) é mostrado como uma esfera amarela, com linhas tracejadas indicando contatos de coordenação.
Após seu isolamento como uma ligase, a ribozima de classe I demonstrou catalisar uma reação de polimerização na qual o oligonucleotídeo portador de 5'-trifosfato é substituído por um ou mais nucleosídeos 5'-trifosfatos (NTPs) ( Ekland e Bartel 1996 ). Essa reação prossegue com alta fidelidade ( q = 0,92), embora a taxa de reação caia acentuadamente com adições sucessivas de nucleotídeos.
Bartel e colegas realizaram mais experimentos de evolução in vitro para converter a ligase de classe I em uma RNA polimerase genuína que opera em um molde de RNA separado ( Johnston et al. 2001 ). Na extremidade 3' da ligase de classe I, eles adicionaram 76 nucleotídeos de sequência aleatória que foram evoluídos para formar um domínio acessório que auxilia na polimerização de NTPs ligados ao molde. A reação de polimerização é aplicável a uma variedade de sequências de molde e, para sequências bem comportadas, prossegue com uma fidelidade média de 0,97. Isso seria suficiente para suportar um comprimento de genoma de 20–30 nucleotídeos, embora a própria ribozima contenha cerca de 190 nucleotídeos. A ribozima tem uma taxa catalítica para adição de NTP de pelo menos 1,5 min −1 , mas seu K m é tão alto que, mesmo na presença de concentrações micromolares de oligonucleotídeos e concentrações milimolares de NTPs, requer cerca de 2 h para completar cada adição de NTP ( Lawrence e Bartel 2003 ). A ribozima opera melhor sob condições de alta concentração de Mg 2+ , mas se degrada sob essas condições após 24 h, momento em que não adicionou mais do que 14 NTPs ( Johnston et al. 2001 ).
A otimização evolutiva adicional da ribozima da polimerase de classe I levou a uma melhoria substancial de suas propriedades bioquímicas. Ao selecionar diretamente para extensão de um primer externo em um molde separado, Zaher e Unrau (2007) foram capazes de melhorar o comprimento máximo da polimerização dependente do molde para >20 nucleotídeos, a uma taxa aproximadamente três vezes mais rápida do que a do pai para as primeiras nove adições de monômero e até 75 vezes mais rápida para adições além de 10 nucleotídeos. Além disso, essa variante de ribozima exibe fidelidade significativamente melhorada, particularmente com relação à discriminação contra pares de oscilação G•U. Essa fidelidade melhorada parece ser a fonte subjacente para as melhorias no comprimento máximo de extensão e na taxa de polimerização.
5.3 Da polimerase à replicase
Usando uma técnica sofisticada de seleção in vitro baseada em emulsão, a atividade da polimerase de classe I foi bastante melhorada para que ela possa sintetizar produtos longos de RNA, em alguns casos excedendo 100 nucleotídeos de comprimento ( Wochner et al. 2011 ). A ribozima melhorada contém uma “etiqueta de processividade” 5′-terminal que se liga a uma região complementar do molde, superando assim o problema de um alto K m por meio da pseudointramolecularidade. Ela continua a mostrar uma boa fidelidade média de 0,97. Quando a reação é realizada na fase eutética do gelo de água, polímeros ainda mais longos podem ser obtidos devido à concentração aumentada de reagentes e à taxa reduzida de degradação do RNA sob essas condições quase congeladas ( Attwater et al. 2013 ). No entanto, a polimerase otimizada prefere fortemente moldes ricos em citidina que não possuem nenhuma estrutura secundária, o que impede a síntese da maioria dos RNAs funcionais.
A polimerase de classe I foi ainda mais otimizada pela seleção por sua capacidade de reagir rapidamente e copiar moldes “difíceis”, incluindo aqueles que são pobres em citidina ou contêm regiões de estrutura secundária estável ( Horning e Joyce 2016 ). Isso resultou em uma ribozima polimerase que requer menos de um minuto para completar cada adição de NTP e pode sintetizar uma variedade de RNAs de estrutura complexa. Ela ainda luta com moldes altamente estruturados ou execuções de resíduos consecutivos do molde A. Ela também tem uma fidelidade reduzida de 0,92, principalmente por causa de uma frequência aumentada de mutações de oscilação G•U. No entanto, por causa de sua generalidade de sequência muito maior, essa polimerase otimizada pode catalisar a síntese recíproca de um RNA e seu complemento, permitindo a amplificação exponencial de moldes curtos de RNA em uma forma totalmente de RNA da reação em cadeia da polimerase.
Esta polimerase de classe I mais otimizada também tem a capacidade de sintetizar polímeros de DNA em um molde de RNA ( Samanta e Joyce 2017 ). A ribozima pode incorporar todos os quatro desoxinucleosídeos 5'-trifosfatos a uma taxa de cerca de uma adição por minuto e pode gerar produtos contendo até 32 desoxinucleotídeos. A atividade da transcriptase reversa provavelmente foi necessária para a transição de genomas de RNA para DNA durante a história inicial da vida na Terra. O fato de uma ribozima de RNA polimerase também poder funcionar como uma transcriptase reversa sugere que uma ponte pode ter existido entre RNA e DNA como uma adaptação seletiva do mundo de RNA. O DNA é muito mais estável em comparação com o RNA e, portanto, fornece um repositório maior e mais seguro para informações genéticas.
A replicação generalizada de RNA catalisada por RNA ainda não foi alcançada e não é possível para a ribozima da polimerase de classe I sintetizar cópias adicionais de si mesma. A forma mais avançada da polimerase não pode replicar longas sequências de RNA porque as tentativas de fazê-lo são frustradas pelo surgimento de amplicons mais curtos que são copiados de forma mais eficiente. Deve haver uma vantagem seletiva em manter o amplicon de comprimento total e essa vantagem deve exceder a probabilidade de produzir uma cópia de erro. É razoável esperar que uma replicase geral de RNA seja eventualmente desenvolvida em laboratório, fornecendo assim um modelo funcional de vida baseada em RNA. No entanto, como a busca por vida em outras partes do universo, tais expectativas devem ser atendidas por meio de observação direta em vez de especulação.
Apesar de não atingir o objetivo da replicação generalizada de RNA catalisada por RNA, há um exemplo de uma enzima de RNA que catalisa sua própria amplificação e pode sofrer evolução darwiniana limitada. Este sistema de replicação usa um par de ribozimas ligase que catalisam cada uma a formação da outra, usando uma mistura de quatro oligonucleotídeos de substrato diferentes ( Lincoln e Joyce 2009 ). Em misturas de reação contendo apenas esses substratos de RNA, MgCl 2 e tampão, um pequeno número inicial de ribozimas dá origem a muitas ribozimas adicionais por meio da amplificação exponencial catalisada por RNA. O processo de replicação pode ser sustentado indefinidamente pela reposição do suprimento de substratos, em um caso atingindo um fator de amplificação geral de 10 100 vezes em 37,5 h ( Robertson e Joyce 2014 ).
6 GENÉTICA COMPARTIMENTADA
6.1 Integração de sistemas genéticos e compartimentais
Assumindo que a química da replicação do RNA pode ser totalmente realizada de uma maneira compatível com a replicação da protocélula, quais outros desafios devem ser abordados para que o sistema seja capaz de passar pela evolução darwiniana? Como os RNAs funcionais provavelmente fornecem vantagem seletiva significativa, é útil entender as condições necessárias para obter uma função robusta da ribozima dentro das protocélulas modelo. Esses estudos geralmente usam ribozimas simples, como a ribozima do tipo martelo autoclivável, para a qual a atividade dentro de vesículas baseadas em ácidos graxos foi demonstrada ( Chen et al. 2005 ). Como a maioria das ribozimas requer altas concentrações de Mg 2+ para atividade ideal, é necessário usar uma composição lipídica que mantenha a estabilidade da membrana na presença de Mg 2+ . Alternativamente, é possível que as primeiras ribozimas não exigissem altas concentrações de Mg 2+ , em vez disso, contando com cátions monovalentes ou outros cofatores.
Novas questões surgem ao considerar a integração de ácidos nucleicos replicantes com vesículas replicantes. Por exemplo, quais mecanismos podem servir para manter os sistemas de membrana e RNA em equilíbrio para que nenhum deles se replique mais que o outro? Uma resposta potencial para esse problema de homeostase é a presença de oligonucleotídeos curtos que são complementares a uma ribozima replicase, gerados como intermediários de replicação ou fragmentos de degradação, que inativam a replicase quando presentes em altas concentrações. Após a diluição, como ocorreria no crescimento da vesícula ( Engelhart et al. 2016 ), essa inibição seria aliviada e a replicação do RNA poderia continuar.
6.2 Permeabilidade da membrana, tráfico e origens do metabolismo
Supondo que as primeiras protocélulas eram heterotróficas, as membranas das protocélulas devem ter sido permeáveis a nutrientes no ambiente externo. Membranas baseadas em ácidos graxos mostram alta permeabilidade a íons, incluindo cátions divalentes, bem como a moléculas polares e carregadas maiores, como nucleotídeos. Fatores ambientais, incluindo temperatura elevada e a presença de cátions divalentes, podem aumentar ainda mais a permeabilidade da membrana. É provável que a alta permeabilidade da membrana seja necessária para o crescimento da protocélula, mas não é um requisito físico exigente. No entanto, a alta permeabilidade também pode limitar a capacidade de uma protocélula de desenvolver funções metabólicas porque quaisquer metabólitos sintetizados dentro da protocélula podem vazar e ser perdidos para o ambiente ou capturados por protocélulas concorrentes. Uma possibilidade é que as protocélulas não tenham desenvolvido um metabolismo até que a permeabilidade da membrana tenha diminuído, talvez impulsionada pelo aumento do conteúdo de fosfolipídios resultante da vantagem de crescimento seletivo fornecida por esses fosfolipídios ( Budin e Szostak 2011 ). Muitos compostos do metabolismo biológico são carboxilatos carregados ou ésteres de fosfato, o que pode refletir a evolução do metabolismo em uma época em que as membranas celulares eram mais permeáveis do que nas células modernas.
6.3 Desafios Restantes
Os experimentos descritos acima trazem o campo tentadoramente perto de uma protocélula replicante e em evolução, mas vários problemas adicionais devem ser resolvidos para atingir esse objetivo. Cátions metálicos divalentes parecem ser essenciais para a cópia eficiente do RNA, mas a baixa afinidade do metal catalítico pelo centro de reação significa que concentrações muito altas desses íons são necessárias, o que causa problemas tanto para o RNA (degradação, hidrólise de monômeros ativados) quanto para as membranas baseadas em ácidos graxos. As enzimas RNA polimerase resolvem esses problemas ligando e posicionando precisamente o íon metálico para catálise ( Zhang et al. 1999 ; Cramer et al. 2001 ; Robertson e Scott 2007 ; Shechner et al. 2009 ). Um meio prebiótico plausível de atingir catálise de íons metálicos eficaz em baixa concentração ambiente simplificaria muito o desenvolvimento de protocélulas modelo. Outro problema fundamental é a mobilização de energia química para ativar (e reativar) nucleotídeos para polimerização de uma maneira específica e sob condições moderadas. Também não está claro como atingir múltiplas gerações de replicação de ácido nucleico dentro do contexto de uma protocélula. Se e somente se todos esses desafios puderem ser enfrentados, será possível sintetizar uma protocélula em evolução.
6.4 Implicações para a Biologia Sintética e Biotecnologia
O principal objetivo da pesquisa sobre replicação de RNA não enzimática e catalisada por RNA é discernir caminhos plausíveis que levam da química à biologia e, assim, fornecer explicações potenciais para a origem da vida na Terra. No entanto, o desenvolvimento de protocélulas replicantes também fornecerá novas abordagens para a evolução compartimentada de novos RNAs funcionais. Uma das limitações de longa data dos métodos convencionais de evolução in vitro é que a seleção depende da automodificação do RNA catalítico e, portanto, não enriquece para alta rotatividade catalítica. As protocélulas replicantes podem fornecer uma nova maneira de obter ribozimas eficientes, desde que sua função possa ser vinculada à vantagem seletiva da protocélula.
Muitos grupos de pesquisa estão envolvidos na construção de células artificiais, com o objetivo de reconstituir alguns (ou todos) os subsistemas complexos da vida microbiana. A maioria desses sistemas, portanto, inclui a maquinaria de síntese de proteínas, como um extrato bruto ou um sistema de tradução reconstituído. Reconstituir uma célula totalmente funcional e replicante a partir de componentes biológicos purificados é um grande desafio e inspirou esforços para simplificar aspectos do metabolismo celular que parecem gratuitos. Por exemplo, muitas modificações químicas do RNA ribossômico (rRNA) são essenciais para a montagem do ribossomo, mas recentemente Ichihashi e colegas foram capazes de desenvolver uma variante de rRNA de subunidade pequena que não possui modificações e ainda pode ser eficientemente montada em ribossomos ( Murase et al. 2018 ). Se essa abordagem puder ser estendida ao rRNA de subunidade grande, a montagem do ribossomo será bastante simplificada. Abordagens semelhantes visam desenvolver um ribossomo mais simples, comparável aos intermediários evolutivos no caminho da primeira ribozima peptidil transferase para o ribossomo moderno. Tais abordagens podem contribuir para o desenvolvimento de uma imagem abrangente de possíveis caminhos, desde protocélulas simples até células complexas do mundo de RNA e, finalmente, para a evolução de células modernas que contêm genomas de DNA, síntese de proteínas instruída e um metabolismo complexo.
7 RESUMO
As restrições que devem ter sido atendidas para originar um sistema evolutivo autossustentado são razoavelmente bem compreendidas. Pode-se esboçar uma ordem lógica de eventos, começando com a química prebiótica e terminando com a vida protocelular. No entanto, deve-se dizer que muitos detalhes desse processo permanecem obscuros, e mesmo para reações que foram convincentemente mostradas em laboratório, é difícil saber se essas mesmas reações eram operáveis nas origens históricas da vida.
O presumido mundo do RNA deve ser visto como um marco, um platô na história inicial da vida na Terra. Assim, também, o conceito de um mundo do RNA tem sido um marco no estudo científico das origens da vida. Embora esse conceito não explique completamente como a vida se originou, ele ajudou a guiar o pensamento científico e serviu para concentrar esforços experimentais. O progresso futuro dependerá principalmente de novos resultados experimentais, à medida que químicos, bioquímicos e biólogos moleculares trabalham juntos para abordar problemas relativos à replicação molecular, enzimologia de ribozima e processos celulares baseados em RNA. [Não explique completamente? Não explica absolutamente nada!]
AGRADECIMENTOS
JWS é um investigador do Howard Hughes Medical Institute. Este trabalho foi apoiado por bolsas de pesquisa 287624 (GFJ) e 290363 (JWS) da Simons Foundation, bolsas de pesquisa 80NSSC17K0462 (GFJ) e NNX15AL18G (JWS) da National Aeronautics and Space Administration (NASA) e bolsa de pesquisa CHE-1607034 (JWS) da National Science Foundation (NSF). Algumas partes do texto foram publicadas em edições anteriores do The RNA World . As contribuições de Leslie Orgel para essas versões anteriores e para a literatura científica das origens da vida são reconhecidas com gratidão.
Notas de rodapé
Editores: Thomas R. Cech, Joan A. Steitz e John F. Atkins
Perspectivas adicionais sobre mundos de RNA disponíveis em www.cshperspectives.org
REFERÊNCIAS
*A referência também está nesta coleção.
Comentários
Postar um comentário