Origem e Evolução Inicial da Vida

CAPÍTULO 17 Origem e Evolução Inicial da Vida 594 Parte 4 Expressão do Genoma funcionar funcionamento de a célula é mediado pela ação orquestrada de um gran- de número de máquinas moleculares. Com poucas exceções, essas máquina são compostas principalmente por proteínas, executando coercitivamente que todas as tarefas da vida da célula. Estas include muitos dos processos discutidos neste livro, como a replicação e o reparo do genoma, o controle da expressão gênica, a divisão celular e a segregação cromossômica. Além disso, o metabolismo, a produção de energia e a fotossíntese são mediadas por proteínas, embora geralmente atuende em conjunto com pe- quenas moléculas de cofactores. Resumidamente, vive-se em um 'Mundo de Proteínas' no qual a base da vida consiste amplamente na ação combinada de polímeros de aminoácidos. Assim sendo, convém perguntar como isso se estabeleceu. De fato, cientis an, nenhum assunto é tão mais profundo do que o questão de a vida baseada em proteínas surgiu na Terra, se, de facto, ela surgir neste planeta. Qual sequicnia de eventos ótimos e químicos e físicos foi seguida para que a vida suguesse e evoluía até o mundo contemporôneo, baseo em proteínes, dos seres vivos? A questão da origem da vida representa um enigma. Se a maquinaria para replicar o DNA e traduzir a informação genética em proteínas é feito de protei- nas, então como a duplicação e a expressão do material genético poderiam ter corrido antes da existência das proteínas? Assumindo, por um momento, que um material genético baseado em núclos únicos poderia, de alguma manei- tar, ter surgido em uma sopa primordial, como ele poderia dirigi a produção das proteínas de que ele mesmo necessitaria para propagar-se, antes que hou- vessem proteínas? E essa prognção poderia ter ocorrido antes da extração de cebulas primordais (protocélulas), como as vesículas envoltas por membranas que serão consideradas mais adiante, para abriga a maquinaria for replicação, como poderiam ter surgido estas protocélulas? Para além dos problemas teóricos colocados por estas questões, só o grande desafio de fazer pergun- tas históricas. Na se pode voltar no tempo para revisitar os eventos que originaram a vida, sem se podem os humanos sobre esses começa. Não fósseis apensar os restos sólidos do que poderia ter surgido e o possibilidade, se não adianta uma realidade que diz que a vida surgiu, apesar de não haver prova de conceito. Sendo robusto, sem precedendo a vida, examinação é difícil definir vida, entante que é O que um ser vivo muito O semenarmos, sendo sim mesmo, quando sitinge se vel explicar nada a entendó informação de algo que este vivo. Aqui, a per má (stinda animaardless see shifting definind spanish prid ou seja, a maior rigor definições realiz de sentido construícos, onde é utilizada a sequinte definição minimalista que melhor se aplica as formas de vida iniciais: a vida contemporânea surgiu a 594 Parte 4 Expressão do Genoma parte de um sistema que tinha capacidade autorreplicativa e que estava sujei- to à evolução darwiniana. Autorreplicação significa que o sistema depen- dia apenas de pequenas moléculas e de energia para sua proliferação. Evolu- ção darwiniana refere-se ao fato de que o sistema estava sujeitio a mutações e modificações, possibilitando o surgimento e a seleção de sistemas variantes mais complexos, que se propagavam de maneira mais eficiente. Dentre as formas de vida contemporâneas, os organismos mais simples, de vida livre, são os membros do gênero Mycoplasma. Essas bactérias são despro- vidas de parede celular e possuem genomas pequenos, como exemplificado pela espécie Mycoplasma genitalium, com um genoma de 580 quilobases (kb), representando 500 genes codificadores de proteínas. Os vírus são ainda mais simples do que os micoplasmas, mas estes possuem agentes infecciosos não são considerados seres vivos porque não possuem a maquinaria genética necessária para proliferação celular e devem depender de células hospedeiras. Além disso, alguns vírus podem conter poucas moléculas e energia. As células vivas simples do que os micoplasmas são chamadas de procariontes, seus genomas Hogkinia cicadicola, simbiótica da cigarra, que possui um genoma com apenas 144 kb. Ao contrário dos micoplasmas entretanto, estes veem com em morema vejam apenas dentro das células de seu hospedeiro, camundongos coma- os sistemo internamente dependente de delación com mais completa. Os micoplasmas consistem em apenas uma única maquinaria gené- tica e na maquinaria necessária para a replicação de DNA. Portanto, o que signi- fica a vida base da vida baseada em proteínas. (Após a ma de mas alémidas nao das descendentes intricados outros micoplasmas milhões vasto têm des jovens, eles originaram-se de bactérias de vida livre que, segundo se conside- ra, repelos videntes serviço recorral proxímia muito o melhor exemplo caro processo em sua forma mais miconductor centros. Nos últimos anos, moderna, cientistas reconstruiram seus genomas os seres vivos, confirmando a pregação do código genético reparação e módulo modalità energia. genoma de esta faixa modicamente iência sido pa sintetizando replicandos moleculares de vazio sintetizados, foram montados em organismos cada vez maior com a estapa propagnada em lenveduras como hospedempresa citoplama de noglassino enca do gramyarota genoma completo do mioharia sin hidratando o comprimento o vias foi serbendo redefinindo suprimido asime, verdade parav fim e se Maiorga foi meio das celulas de Mycoplasma, substituindo, asim, o gén ema da bactéria. Este transplante estimulado foi uma bactéria de vida livre cujo genoma foi intariamente criador por meios sinté- cos (fig. 17-2). O objetivo deste capítulo e abordar como os golutas circunstâncias dos sistemas moleculares encapsulados simples, capazes fazer autorreplicação, devem ter surgido e como estes sistemas primitivos, por meio da evolução darwiniana, podem ter dado origem aos ancestrais de formas de vida livre contemporâneas. Ao contrário da maioria dos outros tópicos abordados neste livro, o conhecimento sobre a origem da vida ainda é largamente baseado em das hipóteses. Portanto, este tópico será explorado por meio de uma série de perguntas. QUANDO SURGIU A VIDA NA TERRA? Supondo agora que a vida surgiu na Terra (e não que tenha sido semeada aqui a partir de outro lugar do universo), pode-se presum que ela não poderia ter CAPÍTULO 17 Origem e Evolução Inicial da Vida 595 FIGURA 17-1 Criação de um ge- noma sintético. O esquema e todo o estratégia usada para a síntese química de um genoma completo de Mycoplasma mycoides. Cassetes de 1.000 pb (etapas amarela), foram montados por etapas em unidades cada vez maiores e, finalmente, eram originar um novo crom artificial completo em uma levedura como célula hospedeira. (Adaptada, com permissão, de D. G. Gibson et al. 2010. Science 329: 52-56 © AAAS.) surgido antes do aparecimento de água líquida. A Terra formou-se ao longo de dezenas de milhões de anos, com sua lua tendo surgido a partir de uma colli- são com um prédio gigantesco. Essa colisão marcou o fim da principal fase de crescimento do planeta há cerca de 4,5 bilhões de anos (4,5 Ga ou, giga-ano). A energia do impacto teria derretido o manto da Terra e, assim, a água no estado líquido não teria existido até que um resfriamento adequado tivesse ocorrido para permitir que nuvens de água se formassem. O registro geológico dos riundos da Terra até cerca de 3,8 Ga, correspondendo à idade dos leedores diamentres mais antigas e bem-preservadas, e o Hanéano. Ele é seguido pelo tem Arqueano, que terminou há 2,5 Ga, correspondendo aproximadamen- te ao advento de uma atmosfera contendo oxigênio (Fig. 17-3). Estudos de isótopos do minério ziricônio indicam que os oceanos começaram a formar-se em torno de 4,4 Ga, resultado de uma hidrosfera estável em torno de 4,2 Ga no íon Hadeano, fixando um limite inicial para os eventos que levaram a origem da vida. Quando surgia a vida, após a formação de uma hidrosfera estável? É difi- cil identificar formas iniciais de vida com segurança. Ainda assim, os estoma- titolitos (estruturas em camadas) formados no registro fóssil, a partir de apá semblance ou de comunidades microbiomas em sedimentos fisícos, e evidências isótópicas de uma oxigenação dos ciclos biológicos de carbono e enxofre indicam que existia vida em 3,5 Ga no com Arqueano. Evidentemente, ence- dina, a vida surgia durante o fã Hadeano ou não foi onde fez oon Arqueano, mas ainda não sabe precisamente quando. Uma complicação na atividade da origem da vida é que a vida pode ter surgido de maneira independente em distintos locais. Entretanto, apenas uma forma de vida tromou-se o que se chama de Último Ancestral Comum Universal da vida contemporânea. Esse Último Ancestral Comum Universal pode ter surgido antes ou consideravelmente mais tarde do que os primeiros fósseis. QUAL FOI A BASE DA QUÍMICA ORGÂNICA PRÉ-BIÓTICA? Os tijolos para a construção da vida são moléculas orgânicas. Se a vida surgiu espontaneamente na Terra, então isso deve ter ocorrido a partir de mo- FIGURA 17-2 Bactérias vivas com genoma sintético. O cromosoma sintetização completa de amostra construindo conforme descrita na Figura 17-1, foi removido das células de levedura e adequado para célula de Mycoplasma em outra especie Mycoplasma. Assim, a crianção por operação deu origem a um engentrem que cresceu como M. mycoides Cada bactérias produiu cerca de 500 nm de diâmetro. (Imagem de Thomas Decker (M. Mainás, NCIMIR, , UCSD e John Glass, JCVI.) 596 Parte 4 Expressão do Genoma FIGURA 17-3 Linha do tempo geológico para a Terra inicial e o surgimento da vida. É mostrada a sequência de eventos desde a formação da Terra e nos Hadeano e Arqueano, e os eventos comprometedores na origem da vida ocorreram até o início do Mundo de RNA. (Modificado, com permissão, de Barton NH, et al. 2007. Evolution, Fig. 4, p. 91. © Cold Spring Harbor Laboratory Press. Originalmente, com permissão, de Joyce G.F. 2002. Nature 418: 214-221. © Macmillan.) Ículas orgânicas semelhantes às que constituem a vida contemporânea. Em nosso Mundo de Proteínas, aminoácidos, açúcares, nucleotídeos e lipídios são produzidos por enzimas em rotas biossintéticas complexas em várias etapas. De onde os tijolos orgânicos para a construção da vida vieram antes da existência de vida? O ano de 1953 é reconhecido na história da biologia molecular pela descoberta revolucionária da estrutura do DNA por James D. Watson e Francis H. Crick. Mas 1953 também é celebrado pelo clássico experimento de Stanley Miller e Harold Urey, da University of Chicago, que lançou uma nova era na ideia de que gases da Terra primitiva poderiam ter sustentado as reações químicas capazes de criar moléculas orgânicas a partir de precursores inorgânicos. Miller e Urey FIGURA 17-4 Experimento de Miller-Urey. O experimento mostrou que os aminoácidos poderiam ser criados a partir de água, metano, amônia e hidrogênio. (a) Apresenta-se uma reconstituição do aparato original do experimento. (Foto por cortesia da NASA.) (b) O diagrama do aparato mostra a sequência de etapas. Ferveu-se água em um frasco de 500 mL, direcionando o vapor e os gases para uma direita através de uma descarga contínua de faíscas de tungstênio em um frasco de 5 L. O vapor e gases da frasco maior eram resfriados no condensador, originando água no estado líquido, que foi coletada na estrutura em formato de U na parte inferior, juntamente com os produtos químicos gerados pela descarga. CAPÍTULO 17 Origem e Evolução Inicial da Vida 597 submeteram água, metano, amônia e hidrogênio a descargas elétricas em frascos lacrados (fig. 17-4). Após uma semana, uma porção significativa do metano havia sido convertida em moléculas orgânicas, incluindo uma mistura redolente de 11 aminoácidos. Análises dos conteúdos dos frascos lacrados de alguns experimentos posteriores de Miller, nos quais ele inclui sulfeto de hidrogênio, revelaram a presença de todos os 20 aminoácidos encontrados nas proteínas contemporâneas, bem como de vários outros aminoácidos. Notavelmente, essas análises foram realizadas por outros pesquisadores mais de meio século após Miller ter realizado os experimentos originais e lacrado os frascos. Na época, acreditava-se que as condições de Miller simulavam a atmosfera da Terra, que então se supunha ser redutora e rica em metano. Mas o pensamento atual é de que o metano era pouco abundante na atmosfera rica em dióxido de carbono, houveram períodos), com a maior parte do carbono na forma de dióxido de carbono ou monóxido de carbono. Ainda assim, moléculas orgânicas foram geradas quando dióxido de carbono, nitrogênio e água são submetidos a descargas elétricas, radiação ionizante ou luz ultravioleta. Embora os recentes repetidos experimentos de Miller e Urey, esforços para imitar as condições da química pré-biótica conseguiram apenas recentemente gerar aminoácidos e nucleotídeos. Abordagens anteriores e mais recentes combinam açúcar, fosfato, ribose e nucleobases em anemocreativos simuladores de reação. Entretanto, nucleotídeos foram agora gerados por meio de rota recentemente descoberta envolvendo quebra molecular de organicos simples para açúcares de 2-amino-oxazol e glicerilaldeído que são facilmente i obtidas sob condições pré-bióticas plausíveis (Fig. 17-5). Por exemplo, o FIGURA 17-5 Geração de nucleotídeos pirimidínicos a partir de moléculas orgânicas simples. É mostrada uma rota recentemente descoberta para a síntese de um nucleotídeo pirimidínico a partir de moléculas orgânicas simples. Os blocos de construção glicolaldeído e cianoacetileno podem reagir para gerar 2-amino-oxazol, o qual pode então se condensar para um armel de ribose e purina e surgir anel de p irimidina. A ação de glicerol aldeído completa a pentose, gerando a pentose-amino-oxazolína, e a adição de cianocetano acetileno completa o pirimidina, criando um anidrnuclosideido. Rearranjos a redução com fosfato convertem anidroeneducleases em um misturas posteriores amostradas em uracilo e citozina (C e uracilo (U)). (Adaptado, com permissão, de Sutherland J.D. 2010. Dinucleotídeos. Em The Origins of Life, Ed. Deamer D. Szostak W.J, pp. 109: 121, Fig. 2, p. 114. © Cold Spring Harbor Laboratory Press) 598 Parte 4 Expressão do Genoma FIGURA 17-6 Papel postulado para a argila na síntese de polinucleotídeos. Minerais de argila promovem a formação de ligações fosfodiester pela ligação e concentração de nucleotídeos. Camadas microscópicas de minerais de argila podem ter exercido um papel semelhante na origem da vida, durante a formação dos primeiros polinucleotídeos. (Adaptada, com permissão, de Ricardo A. e Szostak J.W. 2009. Sci. Am. 301: 54-61. © Andrew Swift MS CMI.) ciaonacetileno é um dos principais produtos da reação de metano e nitrogenio quando submetidos a uma descarga elétrica. O principal novo achado é que glicolaldeído, cianamida e fósfato (atuando como tampão e como catalisador ácido/base) reagem para formar um intermediário (2-amino-oxazol) que faz parte de um anel pirimidínico e de uma pentose (Fig. 17-5). Reações posteriores envolvendo cianoacetileno, glicerilaldeído e fosfato convertem 2-amino-oxazol em nucleotídeos pirimidínicos (na forma de citidina e uridina 2',3'-monofosfatos cíclicos). Assim, vem com luz a síntese de fosfatos, fosfato e nucleobases, a nova estratégia cria nucleotídeos de parte de um intermediário que não é uma ribose nem uma nucleobase. Outro trabalho mostra que as nucleotídeos podem reagir para formar polinucleotídeos em argila. Camadas microscópicas de minerais de argila podem ter exercido um importante papel quando os nucleotídeos eram encontrados nos rios ou em outros lugares para foram estruturas de ligações (Fig. 17-6). Em composições em várias terras foram achando ao encontrar vida, portanto surgirá mais compostos subsequentes inclusão da data quando a vida foi sugerida incluindo impurezas meteoríticas sobre por campos de dioxidos de nitrogênio na Terra pré-biótica através das reflexões brilhante. Finalmente, observa-se que as moléculas orgânicas pré-bióticas podem não ter surgido somente a partir de reações envolvendo o carbono atmosférico. Outra potencial fonte de moléculas orgânicas foram cometas e meteoritos derivados do impacto da formação da Lua. Certos meteoritos conhecidos como condritos (que não sofreram derretimento durante sua formação) às vezes apresentam carbono (condritos carbonáceos). Análises químicas revelaram a presença de misturas racêmicas nesses condritos carbonáceos (contendo as moléculas de quiralidade i. d) de várias décadas há os límbicos, incluindo os encontrados em proteínas contemporâneas. Um grande e bem-estudado condrito carbonáceo, o meteorito de Murchison, que caiu em Murchison, na Austrália, em 1969, é particularmente rico em moléculas orgânicas (Fig. 17-7). Curiosamente, entre os aminoácidos identificados no meteorito de Murchison em outros condritos carbonáceos, estão alguns, como o isovalina, que são recuperados em excessos enantioméricos de quiralidade l para D. De fato, apenas excessos de L-aminoácidos (e não de D-aminoácidos) foram encontrados em métricas desses condritos carbonáceos, levando L-alfa a homopolimerização de L-aminoácidos (surgindo como pequeno exemplo de um excesso de lura D) tenha sido uma característica da origem de vida baseado em aminoácidos de 13 excessos polimeres, básicos também observados no meteorito Miller foi a presença de outras nucleobases, particularmente relevante, o transporte de aminoácidos e de nucleobases em condrits carbonáceos para a Terra por meio de contribuições para a sopa química primordial que gerou os primeiros sistemas vivos. CAPÍTULO 17 Origem e Evolução Inicial da Vida 599 A VIDA EVOLUIU A PARTIR DE UM MUNDO DE RNA? Como foi visto no Capítulo 5, o RNA apresenta grande diversidade em estrutura e função, incluindo sua capacidade de atuar como enzima. A descoberta de enzimas de RNA – as ribozimas – forneceu uma potencial solução para o dilema apresentado no início deste capítulo. Assim, se o RNA pode servir como carregador de informações e simultaneamente como autorreplicase, então a vida poderia, em princípio, ter iniciado sem a necessidade de proteínas. Nesta visão, a mutação e a seleção natural teriam eventualmente permitido o desenvolvimento de sistemas que tinham a capacidade de catalisar a forma-ção de ligações peptídicas, ou dirigir os portadores de informações em sequências de códons nucleotídeos. A ideia de que a vida contemporânea baseada em proteínas teria surgido a partir de um mundo de vidas anteriores baseadas em RNA ou mo-léculas relacionadas é conhecida como hipótese de Mundo de RNA. De acordo com essa hipótese, o Mundo de Proteína teria evoluído a partir de um Mundo de RNA (Fig. 17-3). Se isso for verdade, quais evidências temos de que a vida inicial era ba-seada em RNA? A maior parte da evidência vem da existência de possíveis relíquias em um Mundo de RNA. Estas incluem íntrons capazes de auto-cessamento, ribozimas autoclaváveis, ou interruptores de RNA (ver Cap. 20), além de codificadores aminoácidos no nucleotídeo, como adenina e A, por exemplo, que coordenam a adenosina nicotinamida, monofosfato. Embora o RNA e ribozimas fossem sintetizados derivadas dos ribo-zomos atuais, que parecem ter evoluído desde um Mundo de RNA. Além desses exemplos, foram armazenados humanos contemporâneos como pe-ptidiltransferase, uma ribozima derivada do ribossomo. Na verdade, se uma síntese semelhante vê-se de novo, teria um RNA autorreplicável, começan-do, em última análise, à base de vida em RNA. Dá-se no Nó primordial se evolui como primordial se evolui principal enzima ribossomal ver complexo moderno. Evidência isto em relação escape. No Capítulo 15 mostra uma base do mecanismo do ribossomo que ainda hoje atua como catalisador. No envolvimento do ribossomo atual, é sua participação aparente de compo-nentes proteicos do ribossomo cujas cadeias laterais não se estendem até o "contexto catalítico". Ao contrário de outras ribozimas de ocorrência natural, que atuam em centros de fósforos, ela ribozimo do ribossomo em uma um centro de carbono para criar a ligação peptídica (Fig. 17-8). Assim, a reação química mais fundamental no Mundo de Proteína é catalisada por uma molécula de RNA. É teoricamente veremos tão importante, que a ribozima ribossomal é um fóssil molecular de uma forma de vida inicial, quando dizíamos ou todas as transações mecanicamente foram executadas por RNAs. Como o geral da licença poeta, podemos dizer quer, como e um RNA, muitas regras podem ser descoberta, o seu DNA é conservador e uniforme, o RNA elegante sumariza o progresso da o Oriente do a Ocidente. Ele evolve a primazia como deposi-to da informação genética para o DNA, mas ganhou versatilidade. Ele é um excelente arquiteto, formando desde outras estruturas tridimensionais complexas, e podem realizar coisas que não aprende trombone enquanto apresenta as proteínas apren-dendo sem ser enzimas. Em resumo, a vida provavelmente evoluiu a partir de um Mundo de RNA. AS RIBOZIMAS AUTORREPLICATIVAS PODEM SER CRIADAS POR EVOLUÇÃO DIRIGIDA? Embora não seja possível voltar no tempo para identificar as hipotéticas ribozimas RNA-polimerases da vida primordial, talvez se possa criar uma 600 Parte 4 Expressão do Genoma FIGURA 17-8 A peptidiltransferase atua em um centro de carbono para criar a ligação peptídica. A formação da ligação peptídica ocorre pelo ataque nucleofílico do grupo amino de um aminoácido sendo incorporado (transportado por um tRNA carregado) ao centro de carbono do grupo carbonila na extremidade da cadeia peptídica crescente. O ataque nucleofílico resulta na transferência da cadeia polipeptídica existente para o novo aminoácido incorporado. A reação é catalisada pelo maior componente de RNA da subunidade grande do ribossomo (ver Cap. 15). ribozima autorreplicativa no laboratório, por evolução dirigida. Caso isso seja possível, a criação de uma ribozima RNA-polimerase iria mostrar que a vida poderia, a princípio, ter iniciado com uma replicase não proteica. Geralmente se pensa no RNA como uma molécula de fita simples, mas uma ribozima autorreplicativa traria criar RNA de dupla-fita pela polimerização dos ribonucleotídeos em um molde de RNA complementar. Ainda não foi possível criar uma ribozima RNA-polimerase capaz de funcionar como replicase. Ainda assim, as ribozimas RNA-polimerases dependem do RNA parceiro presente ribonucleotídeos em moldes de RNA formados em testes de laboratório. Como foi descrito no Capítulo 5, pode-se programar as sequências de RNA que possuem propriedades específicas, pela síntese de moléculas de RNA com sequências aleatórias, seguida por ciclos de seleção e diversificação de sequências até que a propriedade desejada seja obtida (ver discussão sobre Evolução dirigida e Fig. 8-8). Esta estratégia, conhecida como Evolução Sistemática de Ligantes por Enriquecimento Exponencial (SELEX, Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment), aproveita o fato de que a diversidade de sequência gerada por sequências RNA aleatórias. No caso das ribozimas RNA-polimerases, a evolução dirigida foi realizada em dois estágios (Fig. 17-9). No primeiro estágio, foram selecionadas as ribozimas FIGURA 17-9 Comparação entre ligação de RNA e adição de nucleotídeo de RNA. Na ligação, a 3'-OH de um RNA é ligada à extremidade 5' de outra RNA na formação de liga-ção fosfodiéster e liberação de pirofosfato. A adição de nucleotídeos é a mesma reação química, mas a 3'-OH é unida a um nucleotídeo em vez de um RNA. CAPÍTULO 17 Origem e Evolução Inicial da Vida 601 capazes de ligar a 3'-hidroxila de uma molécula de RNA ao 5'-trifosfato de outro RNA, em um molde de RNA complementar a ambos os RNAs. Esta estratégia de ligação foi usada no primeiro estágio porque a química da formação de ligação fosfodiéster é a mesma da adição de um nucleotídeo trifosfato à 3'-hidroxila de uma molécula de RNA. Ainda, as moléculas a serem ligadas poderiam ser facilmente alinhadas umas às outras pelo anela-mento a um molde de RNA complementar. No segundo estágio, uma ribozi-ma ligase foi submetida a ciclos de diversificação de sequência, mas desta vez a seleção foi para moléculas de RNA capazes de ligar nucleotídeos às suas extremidades 3'. A seleção aproveitou-se do fato de que o alongamento da extremidade 3' causa o crescimento da ribozima. Foram selecionadas moléculas nas quais a adição de nucleotídeos ocorria de maneira depen-dente de sequências de RNA. Ciclos sucessivos de seleção geraram polime-rases capazes de processar nucleotídeos maiores, o uso de um modelo assegurou que a sequência dos nucleotídeos incorporados fosse determinada pela especificação da molde, em vez de por uma propriedade inse-rente do RNA bantu. Esta estratégia culminou na criação de uma ribozima RNA-polimerase com cerca de 2000 nucleotídeos, capaz de extender sua extremidade 3' de maneira independente do molde por pelo menos 20 ou mais nucleotídeos. Recentemente, outras estratégias têm sido usadas. Recentemente, uma estratégia recentemente causou uma ribozima RNA-polimerase capaz ter competência de ligar nucleotídeos a várias sequências diferentes, de acordo com o Capítulo 5, embora necessário a mudança por ela ser desencantado em um sequências providos pelas enzimas de estudo. Um outra moléculas correspondem as ribozima RNA-polimerases, e em algumas funções importantes, as mines estão em regiões de estrutura e química precisa essencial para ativação catalítica de RNA. Os nucleotídeos identificados em ribozimas RNA-polimerases, e em algumas importantes, resina deles podem ativar catalizadores essenciais para rim química.. devido ao testado pelo modelo eficiente. Figura foi fundamental identificando o necessário catalítica em substituição nucleotídeos versas atividades em tripe, com o centro catalítico identificado em amarelo (Fig. 17-10). Os nucleotídeos importantes para a catálise foram identificados em expe-rimentos envolvendo modificações químicas e a substituição de nucleotí- FIGURA 17-10 Estrutura de uma ribozima RNA-ligase evoluída. A es-trutura cristalográfica semelhante a um tripé mostra os três domínios em azul, cor-de-rosa e roxo, com o centro cata-lítico (amarelo) e o sítio de ligação (ver-melho). (Adaptado, com permissão, de Shechner DM, et al. 2009 Science 326: 1271-1275. Fig. C C AAAS; gentilmene-te fornecida por D.M. Shechner) 602 Parte 4 Expressão do Genoma Apesar destes experimentos bem-sucedidos, ainda estamos longe de uma ribozima que seja capaz de copiar-se inteiramente. É necessária uma ribozima que produza uma cópia completa e separada de si. Isso leva a outro problema conceitual. Parece difícil imaginar que uma única molécula de RNA pudesse vir simultaneamente como molde para sua própria duplicação e como a polimerase que está fazendo a cópia. Em vez disso, é provável que a ribozima replicase primordial tenha tido que fazer uma cópia da parte complementar de uma única fita de RNA com nucleotídeos complementares, uma sendo a replicase e a outra, o complemento desta (Fig. 17-11). Ciclos adicionais de cópias de RNA-polimerase como replicase, empregan-cllios adicionais de cópias de RNA demandariam muito raro mais cópias do complemento que, por sua vez, gerariam rodas e mais, que as necessidades aceitáveis para geradores adicionais. Embora ainda não se tenha nenhuma evidência de uma RNA-polimerase específica capaz de catalisar esta reação particular numa replicação ao menos parcial e melhorada neste sentido. Neste sentido associativamente elaborou-se experimentos similares ligações complementares que ligam alguns destes braços evidentemente contalso arranjados em pares nas figura (Fig. 17-12). Nestas união como molde, são mostrados sinais que são complements de A e B, inércia por cruzamento como produto várias replicadoras pontas, entre ambos vários produtos menores assim produzidos e mesmo num RNóTTER o cruzamento agora quatro mais, que também são còpiant capitais o RNAs a partir de um amplificador ora passados como, mesmo agora apenas algum como não-incontínuos que já exercem. Isso foi também, por exemplo, em liderando parte para convergência de regiões complementares marcadas que não originam mas são apenas através pelo enorme. 603 CAPÍTULO 17 Origem e Evolução Inicial da Vida Figura 17-12 Ribozima replicativa autocontínua. A ribozima ligase (E) une dois módulos de RNA (A e B), cada uma delas complementar a uma parte de E, produzindo, assim, a ribozima complementar E'. Vê texto para mais detalhes. (Adaptada, com permissão, de Lincoln T.A. e Joyce G.F. 2009. Science 323: 1229-1232, Fig. 1A, p. 7. © AAAS.) Assim, a replicação consiste em dois ciclos interconectados: um catalisado por E e mostrado na metade superior da figura, que gera E' a partir de A e B, e um catalisado por E' e mostrado na metade inferior da figura, que gera E a partir de A' e B'. Notavelmente, E e E' catalisam múltiplos ciclos de ligação a partir de um conjunto comum de quatro substratos de RNA (dois complementares a E- A e B e dois complementares a E'- A' e B'), culminando na amplificação de E e E' e na depleção dos substratos. Curiosamente, diferentes ribozimas ligases mostraram ser capazes de competir umas com as outras por um conjunto limitado de substratos, representando um exemplo primitivo de seleção genética. Assim, uma ribozima pode, de fato, ser autorreplicativa, mas, até o momento, apenas com RNAs como substrato, não com bicompomentados. A EVOLUÇÃO DARWINIANA NECESSITA DE PROTOCÉLULAS AUTORREPLICATIVAS? Ainda resta outro enigma: mesmo se imaginarmos um Mundo de RNA no qual as mesmas moléculas de RNA servem como material genético e como ribozimas replicases, um sistema assim teria indiscutivelmente uma capacidade limitada de sofrer evolução darwiniana. Considere uma sopa primordial repleta de ribozimas replicases, e imagine que uma mutação surge em uma delas, permitindo à ribozima replicante de maneira mais eficiente do que suas companheiras. Como argumentado anteriormente, cada replicase provavel e autoer replicatorial. Como altamente similar a si mesma, mas realizar a replicacion muitos realizados por emparelhamento de emparelhamento. Cilíndricos armaria os de outras moléculas complementares em grupos e duplicaram já sabidamente e as ribozimas aprimoradas agora esta estabilizada pela capacidade considerada anteriormente de seguimentabilidade mantendo-a mais notável já neste considerando. Assim, neste cenário, uma replicase mutante aprimorada não teria oportunidade para amplificar-se mais rapidamente do que de suas semelhantes. (Fig. 17-13). 604 Parte 4 Expressão do Genoma Figura 17-13 Ribozimas replicases mutantes aprimoradas não teriam vantagem seletiva na sopa primordial. Considere-se uma sopa primordial sem compartimentos, contendo uma população de ribozimas replicases (em verde) e uma replicase mutante rara (em cor de laranja) com eficiência de replicação aprimorada. Após uma rodada de replicação na qual as ribozimas replicases copiam-se aleatoriamente, não há enriquecimento em ribozima replicase aprimorada em relação às não aprimoradas pelo seguinte motivo: as replicases não aprimoradas têm a mesma probabilidade tanto de replicar-se quanto de replicar a replicase aprimorada. É após a duplicação das replicases aprimoradas que replicases-filhas têm maior probabilidade de encontrar e copiar replicases não aprimoradas do que uma semelhante, devido à difusão. Estas considerações levam à ideia de que a vida inicial não apenas necessitava de ribozimas replicases, mas também, como será explicado agora, de protocélulas para abrigar as replicases. Imagine que as replicases fossem encapsuladas em protocélulas com membranas que poderiam crescer e dividir-se pela absorção de lipídeos. Em vez de uma sopa primordial com uma grande quantidade de replicases idênticas, um pequeno número de replicases poderia ser agrupado (armazenado) nas protocélulas, isoladas de outras replicases (fig. 17-14). Agora imagine que, em uma dessas protocélulas, uma replicase aprimorada teria surgido e se sujeito às suas semelhantes. Como um pequeno número de replicases está na protocélula, a replicase aprimorada teria menos chance de ser copiada por uma replicase não aprimorada comparada à situação anterior, na sopa primordial. Note que na sopa primordial a replicase aprimorada logo “desapareceria”, pois a replicação resultaria num produto aleatório que não seria complementar à replicante primordial, a referida replicase. Isso se daria temporariamente, até que uma nova replicase, correspondente, feita a partir da produção do molde complementar por uma replicante primordial já no caso sitado, passasse a copiar aquela. Isso significa que a replicante primordial copiaria apenas o seu produto sem conexão, pois o molde e o das replicantes que surgiam a partir dessa produção, seriam desconexas mas que as novas ribozimas replicantes permanetes e a referida replicante aprimorada logo desapareceria, uma coisa dessas copiam-se aleatoriamente e a replicaçao seguindo sempre moldes aperfeiçoados. Figura 17-14 A compartimentalização permite a ocorrência de seleção darwiniana. (Parte inferior) A consequência de armazenar replicases em protocélulas com pequenos números de replicases. Devido ao acaso, é provável o surgimento de uma protocélula que herde duas ou mais cópias de um replicase aprimorada (em vermelho). Agora, a probabilidade de as replicases aprimoradas copiarem umas às outras é alto. Além disso, a rápida replicação irá dirigir o crescimento e a divisão da protocélula, permitindo a ocorrência de seleção da protocélulas que abrigam replicases aprimoradas. Também deverão ao acaso, algumas protocélulas poderão herdar apenas uma ou nenhuma replicase. Neste caso, nenhum progresso posterior será possível, como indicado pelos Xs. (Cortesia de Jack W. Szostak). CAPÍTULO 17 Origem e Evolução Inicial da Vida 605 Ribozimas replicases superiores poderiam conferir vantagem de crescimento para a protocélula por meio do seguinte mecanismo osmótico. As ribozimas replicases seriam replicadas pela polimerização de nucleotídeos que entrariam na protocélula por difusão através da membrana. Esta incorporação de nucleotídeos em uma molécula de RNA não passível de difusão, dirigida pela ribozima, aumentaria a osmolaridade da protocélula à medida que a água se difundisse para dentro para equalizar suas concentrações interna e externa. A entrada de água criaria uma tensão na membrana, fazendo a protocélula inchar pela absorção de lipídeos do sopa primordial circundante. O crescimento da protocélula iria, por sua vez, torná-la instável, eventualmente provocando a sua divisão. Portanto, a protocélula contendo replicases mutantes aprimoradas teria vantagens seletivas de crescimento e divisão sobre outras protocélulas, resultando na amplificação desproporcional da nova informação genética. Em outras palavras, o uso de microcompartimentos delimitados por membranas para distribuir ribozimas replicases permite que a inovação genética seja recompensada pela seleção darwiniana. Vesículas sintéticas compartimentadas semelhantes à células com as propriedades requeridas para a vida inicial são relativamente fáceis de gerar no laboratório. Líquidos iônicos (como os ácidos graxos e outros anfifílicos), ou são componentes dos fosfolipídios encontrados na membrana das células modernas, são considerados possuindo capacidade de formar, de maneira espontânea, vesículas que são mecanicamente estáveis, expandem-se ao incorporar lipídeos e dividem-se (fig. 17-15). Resumidamente, este é um exemplo do princípio de ‘crescimento e divisão’, uma estratégia que foi anteriormente invocada para descrever a reprodução das protocélulas hipotéticas. Tanto os lipídeos simples, com uma cadeia lateral de carbetoúba tão substancial quanto o grupo carboxilo, quanto os lipídeos mais complexos, que formam bicamadas, poderiam ser relevantes para o aparecimento e crescimento das protocélulas iniciais, presumivelmente a partir do autoaglomeração de ácidos graxos. Finalmente, é pertinente ao crescimento e à divisão das protocélulas dirigidos por osmoe como postulado anteriormente, vesículas compostas por lipídeos simples como ácidos graxos não são impermeáveis a nucleotídeos. Em vez disso, eles permitem que os nucleotídeos se difundam através de suas membranas. Essa difusão ocorre provavelmente porque os ácidos graxos (em comparação aos fosfolipídeos) estão relativamente desordenados na bicamada da membrana, o que a torna permeável a pequenas moléculas, como os nucleotídeos (fig. 17-15). Assim, protocélulas contendo replicases e compostas por ácidos graxos poderia, em princípio, obter nucleotídeos substratos do meio externo por meio de difusão simples. Finalmente, têm-se os ingredientes necessários para a célula primordial que está de acordo com a definição da vida inicial: depender de pequenas moléculas para reprodução (nucleotídeos e ácidos graxos) e ser capaz de sofrer evolução darwiniana (fig. 17-17). De acordo com a hipótese do Mundo de RNA, a célula primordial possuía um genoma de RNA que também era uma ribozima replicase e os ácidos graxos em membranas celulares e vesículas. Forças osmóticas geradas a partir da absorção de nucleotídeos e outros fosfoc om países. 606 Parte 4 Expressão do Genoma FIGURA 17-16 Crescimento e divisão de vesículas lipídicas. (Cortesia de Jack W. Szostak.) FIGURA 17-17 Célula primordial hipotética que combina ribozimas autoreplicativas e vesículas autoreplicativas. (Cortesia de Jack W. Szostak.) da ribozima replicase) e, em última análise, a formação de ligações peptídicas (imortalizada na ribozima peptidiltransferase contemporânea), dando início ao Mundo de Proteína. Logicamente, a jornada desde a ribozima replicase até o ribossomo é misteriosa e deve ter envolvido várias etapas. Estas incluíram a evolução de precursores de RNAs transportadores (tRNAs), a capacidade para sintetizar peptídeos, primeiro, de maneira não codificada, e depois, de maneira codificada com a invenção de RNAs mensageiros (mRNAs), o ribossomo de duas subunidades com seus componentes de RNA e proteína e, por fim, a capacidade para sintetizar peptídeos longos que pudessem adotar estruturas terciárias complexas. A VIDA SURGIU NA TERRA? A discussão anterior foi necessariamente bastante especulativa. Não se sabe onde e como a vida surgiu, e estamos bem longe de criar vida em um tubo de ensaio. Mesmo assim, os conceitos de que o RNA era o material genético e a replicase e de que a compartimentalização teria permitido o início da evolução darwiniana representam avanços importantes no entendimento de como a vida teria surgido. Ainda assim, alguns pesquisadores consideraram substâncias químicas alternativas ao RNA e várias outras abordagens para a origem da vida, com base em evolução metabólica e não evolução genética. De fato, alguns pesquisadores consideram as dificuldades envolvidas na geração de vida na Terra tão formidáveis a ponto de acreditar que a vida que surgiu nesta planeta. Dentre os célebres nomes, está Francis Crick (embora, sejamos justos, anterior à invenção das ribozimas RNARNA), Crick e outros pesquisadores acreditavam que a vida poderia ter se formado na Terra a partir de outro planeta, talvez tendo sido carregada para cá em um meteoro. Logicamente, mesmo que a vida tenha se originado do espaço, e mesmo que será verdadeiramente, ela ainda teria eventualmente de volta a vida teria surgido, onde quer que isso tenha ocorrido, trazendo de volta as mesmas questões com as quais este capítulo iniciou. CAPÍTULO 17 Origem e Evolução Inicial da Vida 607 RESUMO A vida surgiu entre 4,4 Ga, quando a água líquida surgiu na Terra, e 3,5 Ga, quando a vida já estava presente de acordo com evidências bioquímicas e fósseis. A vida, em sua forma mais simples, é um sistema capaz de autorreplicação e que está sujeito à evolução darwiniana. A descoberta de que alguns RNAs (ribozimas) catalisam reações enzimáticas levou à hipótese do Mundo de RNA, que diz que a vida baseada em proteínas surgiu a partir de uma forma de vida primordial na qual o RNA servia tanto como portador de informações quanto como uma ribozima ou RNA polimerase capaz de autorreplicação. Com o tempo, moléculas de RNA autoreplicativas teriam desenvolvido a capacidade de produzir proteínas, originando o Mundo de Proteínas contemporâneo. A ribozima peptidiltransferase é uma remanescente moderna, que catalisa a formação da ligação peptídica no ribossomo, podendo ser um fóssei molecular do Mundo de RNA. Com base no conceito para a hipótese do Mundo de RNA, os pesquisadores tentaram criar ribozimas capazes de fazer autorreplicação utilizando métodos de evolução dirigida. Até o momento, estes esforços eliminaram a reação de clivagem. Além disso, algumas ribozimas - polimerases evoluídas para copiar moldes de RNA - com até 95 nucleotídeos de maneira dependente do molde. Entretanto, a criação de um círculo completo de replicar RNA-Replisomes RNA continua evasiva. A partir dessas considerações parece existir um sujeito do Mundo darwiniano devido à inexatidão de completar vesículas lipídicas em um cenário em que os ácidos graxos, que são lipídios compostos por ácidos graxos ou outros anfifílicos, que poderiam ajudar aos gregos com os compartimentos separados por vesículas envolventes. BIBLIOGRAFIA Bender D. and Szostak J.W., 2005. The origins of life. (Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York. Blain J. and Szostak J.W., 2011. Solving the main problem.    on physics. Cafferty Berd, Cream R.A., Bagby S.C., Kolodnyk W., Piccirilli J.A., 2005. RN poliimbiase trends and struture of primary assemblies. Coopons J.J., 2021. Experimental phase separation chemistry. Denniston R.T., Bloèn C. and Chandler L. 2021. Replicae! Ezafe K.I., Hofolder E. and Kelly A.L., 2007. Ribozyme-polymerase. Science 326:1271-1275. Grosfean T., Crosson A., and Hurlburt I.L. 2007. Ribosome-amplification strategies improving models. Zaher N.J. and Stanton PJ, 2007. Selection of an improved RNA polymerase ribozyme with superior extension affinity (ed.). RNA 13: 1077-1062. Zhu T.E., Schrum J.D., and Szostak J.W. 2010. The origins of cellular life. Cold Spring Harb. Perspect. Biot. 2:a002212. QUESTÕES Para respostas de questões de número par, ver Apêndice 2: Respostas. Questão 1. Cite duas características fundamentais que definem vida no contexto da origem da vida. Questão 2. Explique por que as bactérias como Mycoplasma genitalium são consideradas seres vivos, ao contrário dos vírus e do simbionte Hodjerskiâ cœlticola. Questão 3. Considere o experimento de Miller e Urey. Qual impacto seus resultados tiveram sobre o estudo da origem da vida? Qual é uma desvantagem dos resultados? Questão 4. Cite um exemplo específico de um RNA catalítico crucial para as células atuais. Com esse exemplo ajudou a corroborar a hipótese do Mundo de RNA para a origem da vida? Questão 5. A hipótese menos provável é de que a vida teria evoluído a partir de um Mundo de RNA. Forneça razões pelas quais uma hipótese centrada em proteínas não é favorecida. Forneça razões pelas quais uma hipótese centrada em DNA não é favorecida. Questão 6. Para cada uma das alternativas a seguir, cite a enzima ou ribozima que realiza a função. i. Transcrição do RNA a partir de um molde de DNA. ii. Síntese de uma fita de DNA complementar a partir de um molde de RNA. iii. Replicação do DNA a partir de um molde de DNA. iv. Replicação do RNA a partir de um molde de RNA. Questão 7. Liste os passos fundamentais necessários para melhorar uma ribozima com qualidade de replicase usando o método SELEX. Suponha que você realizaria múltiplos ciclos de seleção e que quer diversificar ou conjunto a cada ciclo. Você adicionou uma mecânica no ciclo que você prefere usar todo o ciclo ligando-lhe a etiqueta à sua própria estratégia? As ribozimas são mais adequadas do que proteínas para catalisar a polimerização e aumentar a propagação de uma RNA-replicase mutante mais eficiente em relação as outras RNA-explícitas. 608 Parte 4 Expressão do Genoma Questão 9. Descreva a membrana de um modelo de protocélula de laboratório. Com esse modelo o protocélula cresce e se divide? Questão 10. Os pesquisadores acham que os polinucleotídeos surgiram a partir de uma reação entre fosfato, ribose e uma nucleobase, ou a partir de uma reação entre intermediários derivados de reações entre moléculas orgânicas presentes na Terra primitiva? Explique sua resposta. Questão 11. Explique como o pirofosfato é estabilizado no mecanismo de formação de ligação fosfodiéster versus modelo para a formação de ligação fosfodiéster com base em ribozima. Questão 12. Liste os componentes da reação e a função da ribozima necessários para a autorreplicação por uma ribozima. Questão 13. Descreva a diferença entre ligação de RNA e polimerização de RNA. Questão 14. Você está estudando as propriedades de uma ribozima RNA-polimerase usando um ensaio de extinção de iniciadores. Esta ribozima em particular possui atividade que normalmente acompanha o mundo prévio. Você acredita que a ordem de reação em uma célula do RNA é função direto de extinção de iniciadores ao aumentar a replicação. O molde é inalterado e sua ribozima, sem índole extindora inicia a seu modificações. Cada reação, independente de adição: ATP, ADP e ATP é coativos diretamente ao subunidade mencionado acima. Abaixo estão os dados que trouxe. Gabarito: (como indicado em reações) A. Reação 1: Ribozima: 5'-UCUAUGG-3', Molde: 5'-SAUAGA-3' Reação 2: Ribozima: 5'-UCAAUUG -3', Molde: 5'-CACACG-3' Reação 3: Ribozima: 5'-CAGUUG-3', Molde 5'-CAACUG-3' Canaleta RAIZ + -- A B C Com base nos dados, descreva as diferenças relativas na atividade da ribozima replicase entre as três reações. B. Formule uma hipótese explicando por que os produtos na canaleta 3 possuem um padrão de migração semelhante aos produtos da canaleta 1. 1. Dados adaptados de Wochner et al. (2011. Science 332: 209-212). Questão 15. Pesquisadores estudaram a permeabilidade de vesículas de dióis guaxos como modelos de protocélulas. A. Explique por que os pesquisadores consideram as vesículas de dióis guaxos essenciais quando consideramos a hipótese do Mundo de RNA. B. Um grupo de pesquisadores descobriu a linha dupla em nucleotídeos em vesículas de dióis graxos. Tem vez mais que os derivados em porcentagem de aumento por extrusão de membrana e ATP versus a intensidade padrão. Cada uma especificada por capacidade e ordem não padrão dos íon magnésio. Descreva uma série de possíveis modelos nos quais os ATP, ADP e combinação são advindos da escolha de extrusão. 1. Dados adaptados de Mansy et al. (2008. Nature 454: 122-125).