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Ciclos bioquímicos da vida podem ter se formado espontaneamente na Terra

O sistema químico “vivo” assim obtido se assemelha às reações anabólicas e catabólicas encontradas em organismos biológicos.

Na continuidade das buscas do entendimento sobre a origem da vida, pesquisadores do Laboratório de Química Catálise da Universidade de Estrasburgo conseguiram, desta vez, criar uma rede dinâmica de reações químicas, próxima do que podemos encontrar hoje na bioquímica da vida. Esta descoberta teve seu valor científico reconhecido com uma publicação na prestigiosa revista Nature.

 

Como o metabolismo biológico começou em uma Terra primitiva? Por que os organismos usam as reações e vias metabólicas que eles usam? Essas questões permanecem sem resposta no momento. No entanto, existem avenidas abertas à pesquisa a nossa disposição: os seres vivos acumulam biomoléculas que constroem a partir do CO2, decompondo-as em CO2 novamente. Este processo complexo e dinâmico é liderado por apenas cinco metabolitos, no centro da química da vida.

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Os cientistas que investigam as origens da vida na Terra há muito lutam para explicar como a bioquímica da vida começou há mais de 4 bilhões de anos. A bioquímica é organizada em torno de apenas cinco precursores metabólicos universais construídos a partir de carbono (C), oxigênio (O) e hidrogênio (H) — assim como o tráfego pesado em uma grande metrópole é organizado em torno de alguns centros de trânsito. Eles estão conectados uns aos outros e permitem conexão a toda a rede. Esta rede central fornece acesso a uma infinidade de vias metabólicas e biomoléculas.

Agora, pesquisadores franceses do Instituto de Ciência e Engenharia Supramolecular (Isis) da Faculdade de Física e Engenharia da Universidade de Estrasburgo descobriram que a mistura de duas pequenas biomoléculas, glioxilato e piruvato, em água rica em sal de ferro, produz uma rede de reações que lembra a bioquímica central da vida. Esta descoberta fornece uma visão de como a química na Terra primitiva preparou a evolução da vida. O estudo foi publicado na revista científica Nature, uma das mais respeitadas publicações científicas do mundo.

 

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Partindo daquelas duas biomoléculas, glioxilato e piruvato, dissolvidas em água rica em ferro, os autores do recente artigo da Nature foram capazes de formar um conjunto de biomoléculas em apenas algumas horas, sem a necessidade de atividade enzimática para isso. Esses resultados fornecem novas pistas para entender a evolução da química prebiótica em relação à vida na Terra primitiva.

 

Síntese e decomposição de precursores metabólicos universais promovidos pelo ferro Crédito: University of Strasbourg

O grupo pesquisadores da Universidade de Estrasburgo, liderados pelo Professor Joseph Moran, passou os últimos anos trabalhando nas origens do metabolismo biológico. “A ideia de que o metabolismo biológico tem um precursor químico intimamente relacionado que usa intermediários e transformações semelhantes é uma opção atraente”, diz Moran.

Sem enzimas e ATP

Nos artigos anteriores, Moran e sua equipe, expuseram as pistas para a formação de uma rede bioquímica primitiva com os cinco metabólitos que lideram o processo. De fato, tem sido demonstrado que sais de ferro e metais de transição em meio aquoso, sem enzima, promovem a realização de duas formas antigas de fixação de CO2. No entanto, as transformações bioquímicas em que a biologia atual usa o ATP, a moeda energética da vida, continuam sendo uma incógnita.

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Recentemente, o grupo recriou um equivalente puramente químico da via Acetilcoenzima A (AcCoA), um conjunto de reações usadas por micróbios para produzir acetato (dois carbonos) e piruvato (três carbonos) de CO2. Construir compostos com mais de três carbonos a partir de blocos de construção feitos a partir de CO2 foi onde o progresso parou.

Para realizar tal proeza, a vida depende de enzimas complexas e de um transportador de energia química, o ATP. Mas tanto as enzimas quanto o ATP são estruturas complexas que não poderiam existir na Terra primitiva. Como então a vida construiu sua bioquímica antes de enzimas e ATP? Moran explica: “O avanço veio de perceber que um metabolismo químico pode ter funcionado de uma maneira um pouco diferente do modo como funciona na vida hoje, enquanto preserva o quadro geral”.

A equipe se inspirou no papel central de um metabólito de dois carbonos, o glioxilato, em um modelo publicado anteriormente pelo biólogo teórico Daniel Segrè. Outra pista veio dos químicos orgânicos Ram Krishnamurthy e Greg Springsteen, que relataram que o piruvato (três carbonos) e o glioxilato (dois carbonos) reagem facilmente para formar ligações C-C na água.

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Novos achados

Kamila Muchowska, pesquisadora de pós-doutorado na equipe de Moran e principal autora do estudo atual, diz: “Nós misturamos glioxilato e piruvato em água quente e rica em ferro e notamos que ele dá origem a uma rede de reação com mais de vinte intermediários biológicos, incluindo aqueles que são tão grandes quanto seis carbonos”.

Não só a rede aumenta a complexidade ao longo do tempo, mas também quebra os intermediários de volta ao CO2, assim como a vida faz. “O sistema químico semelhante à vida obtido desta forma conceitualmente se assemelha à função do anabolismo biológico e do catabolismo — não são necessárias enzimas, basta adicionar ferro”, diz Moran.

Como parte do estudo, os pesquisadores testaram o que acontece se uma fonte de nitrogênio e uma fonte de elétrons são introduzidas no sistema. “Quando adicionamos hidroxilamina e ferro metálico ao experimento, a rede de reações produziu quatro aminoácidos biológicos”, explica Sreejith Varma, coautor do estudo. Moran diz: “Curiosamente, no código genético, esses mesmos quatro aminoácidos têm códons que começam com G, sustentando ideias de que o metabolismo e o código genético podem ter surgido em paralelo”.

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Uma rede de reação complexa

Após os estudos recentes, demonstrando a importância do glioxilato no metabolismo, a equipe surgiu com a ideia de integrá-lo em seus estudos. Neste artigo recente, a equipe mostrou que dois produtos da fixação de CO2, incluindo o glioxilato, misturado em água quente rica em Fe2+, dão origem a uma rede de reação que se torna mais complexa com o tempo, enquanto se decompõe em CO2.

O sistema químico “vivo” assim obtido se assemelha às reações anabólicas e catabólicas encontradas em organismos biológicos, exceto que nenhuma enzima é necessária para o seu funcionamento! A rede contém nove dos onze intermediários encontrados no ciclo de vida de Krebs (incluindo os cinco metabólitos mencionados) e com sete de suas onze reações. Também cobre a maior parte de outra via biológica conhecida, o ciclo glioxilato. Este sistema também leva a quatro aminoácidos biológicos, através da introdução de hidroxilamina.

Pouquíssimas inovações são necessárias para tornar sua rede de reação protometabólica semelhante à que a biologia usa hoje. É possível então que essa rede química favorecida pela abundância geoquímica de ferro tenha sido um prebiótico precursor dessas vias metabólicas reconhecidas como as mais conservadas pela evolução? Esses resultados fornecem uma explicação de como a complexidade biomolecular entrou em cena. Além disso, assim como os vivos, esse sistema reproduz com sucesso a síntese e a degradação de biomoléculas que criam um modelo dinâmico.

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Futuro da pesquisa

A rede de reações recém-descoberta tem tanto em comum com os ciclos biológicos conhecidos que a equipe se pergunta se os ciclos de Krebs e glioxilato poderiam ter tido origens puramente químicas. “Achamos que o metabolismo químico poderia ter construído precursores de ciclos biológicos dessa forma, antes que o ATP e as enzimas existissem”, diz Muchowska. Os pesquisadores de Estrasburgo agora estão ansiosos para ver como a rede de reação pode mudar em resposta a diferentes elementos, e se ela pode levar às moléculas da genética. Por que a vida usa as moléculas e reações químicas que ela usa, entre incontáveis ​​alternativas, é um completo mistério. [Universidade de Estrasburgo]

Referência:

  1. MUCHOWSKA, K. B.  et al. Synthesis and breakdown of universal metabolic precursors promoted by iron, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1151-1
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