Novas descobertas do Instituto Salk fornecem fortes evidências para a hipótese do RNA World, revelando uma enzima de RNA que replica e evolui com precisão as cadeias de RNA. Esta descoberta sublinha o papel potencial do ARN na evolução inicial e aproxima os cientistas da síntese da vida baseada no ARN, oferecendo conhecimentos sobre as origens e a complexidade da vida. Crédito: SciTechDaily.com
Cientistas do Salk revelam ARN capacidades que permitem a evolução darwiniana em escala molecular e aproximam os pesquisadores da produção de vida autônoma de RNA em laboratório.
Charles Darwin descreveu a evolução como “descendência com modificação”. Informações genéticas na forma de ADN sequências são copiadas e transmitidas de uma geração para outra. Mas este processo também deve ser um tanto flexível, permitindo que pequenas variações de genes surjam ao longo do tempo e introduzam novas características na população.
Mas como tudo isso começou? Nas origens da vida, muito antes das células, das proteínas e do ADN, poderia ter ocorrido um tipo de evolução semelhante numa escala mais simples? Cientistas da década de 1960, incluindo Leslie Orgel, bolsista da Salk, propuseram que a vida começou com o “Mundo do RNA”, uma era hipotética em que pequenas e fibrosas moléculas de RNA governavam a Terra primitiva e estabeleceram a dinâmica da evolução darwiniana.
As sequências de cabeça de martelo copiadas pela polimerase de baixa fidelidade se afastam de sua sequência de RNA original (topo) e perdem sua função com o tempo. Os martelos catalisados pela polimerase de maior fidelidade retêm a função e desenvolvem sequências mais aptas (parte inferior). Crédito: Instituto Salk
Pesquisa inovadora sobre o papel do RNA na evolução inicial
Novas pesquisas no Instituto Salk fornecem agora novos insights sobre as origens da vida, apresentando evidências convincentes que apoiam a hipótese do RNA World. O estudo, publicado em Anais da Academia Nacional de Ciências (PNAS) em 4 de março de 2024, revela uma enzima de RNA que pode fazer cópias precisas de outras cadeias funcionais de RNA, ao mesmo tempo que permite o surgimento de novas variantes da molécula ao longo do tempo. Estas capacidades notáveis sugerem que as primeiras formas de evolução podem ter ocorrido em escala molecular no RNA.
As descobertas também aproximam os cientistas da recriação da vida baseada em RNA em laboratório. Ao modelar esses ambientes primitivos em laboratório, os cientistas podem testar diretamente hipóteses sobre como a vida pode ter começado na Terra, ou mesmo em outros planetas.
“Estamos perseguindo o alvorecer da evolução”, diz o autor sênior e presidente da Salk, Gerald Joyce. “Ao revelar estas novas capacidades do RNA, estamos a descobrir as origens potenciais da própria vida e como moléculas simples poderiam ter pavimentado o caminho para a complexidade e diversidade da vida que vemos hoje.”
Os gráficos de dispersão mostram a evolução das populações de tubarões-martelo em várias rodadas de evolução. Os martelos copiados pela polimerase de baixa fidelidade (52-2) se afastam da sequência original de RNA (contornos brancos) e perdem sua função. Os martelos copiados pela nova polimerase de maior fidelidade (71-89) mantêm a função, com novas sequências funcionais surgindo ao longo do tempo. Crédito: Instituto Salk
A funcionalidade única do RNA e a busca pela fidelidade da replicação
Os cientistas podem usar o DNA para traçar a história da evolução desde as plantas e animais modernos até os primeiros organismos unicelulares. Mas o que veio antes disso permanece obscuro. Hélices de DNA de fita dupla são ótimas para armazenar informações genéticas. Em última análise, muitos desses genes codificam proteínas – máquinas moleculares complexas que realizam todos os tipos de funções para manter as células vivas. O que torna o RNA único é que essas moléculas podem fazer um pouco das duas coisas. Eles são feitos de sequências de nucleotídeos estendidas, semelhantes ao DNA, mas também podem atuar como enzimas para facilitar reações, assim como as proteínas. Então, é possível que o RNA tenha servido como precursor da vida como a conhecemos?
Cientistas como Joyce têm explorado esta ideia há anos, com foco particular nas ribozimas da RNA polimerase – moléculas de RNA que podem fazer cópias de outras cadeias de RNA. Durante a última década, Joyce e sua equipe desenvolveram ribozimas de RNA polimerase em laboratório, usando uma forma de evolução dirigida para produzir novas versões capazes de replicar moléculas maiores. Mas a maioria veio com uma falha fatal: eles não são capazes de copiar as sequências com um nível alto o suficiente. precisão. Ao longo de muitas gerações, são introduzidos tantos erros na sequência que as cadeias de ARN resultantes já não se assemelham à sequência original e perderam completamente a sua função.
Até agora. A mais recente ribozima de RNA polimerase desenvolvida em laboratório inclui uma série de mutações cruciais que lhe permitem copiar uma cadeia de RNA com uma precisão muito maior.
A partir da esquerda: David Horning, Gerald Joyce e Nikolaos Papastavrou. Crédito: Instituto Salk
Nestas experiências, a cadeia de ARN que está a ser copiada é um “martelo”, uma pequena molécula que quebra outras moléculas de ARN em pedaços. Os pesquisadores ficaram surpresos ao descobrir que não apenas a ribozima da RNA polimerase reproduzia com precisão os tubarões-martelo funcionais, mas, com o tempo, novas variações dos tubarões-martelo começaram a surgir. Estas novas variantes tiveram um desempenho semelhante, mas as suas mutações tornaram-nas mais fáceis de replicar, o que aumentou a sua aptidão evolutiva e levou-as a dominar a população de tubarões-martelo do laboratório.
“Há muito que nos perguntamos quão simples era a vida no seu início e quando ganhou a capacidade de começar a melhorar”, diz o primeiro autor Nikolaos Papastavrou, investigador associado no laboratório de Joyce. “Este estudo sugere que o início da evolução poderia ter sido muito precoce e muito simples. Algo ao nível das moléculas individuais poderia sustentar a evolução darwiniana, e essa pode ter sido a faísca que permitiu que a vida se tornasse mais complexa, passando de moléculas a células e a organismos multicelulares.”
As descobertas destacam a importância crítica da fidelidade de replicação para tornar a evolução possível. A precisão da cópia da RNA polimerase deve exceder um limite crítico para manter a informação hereditária ao longo de múltiplas gerações, e esse limite teria aumentado à medida que os RNAs em evolução aumentassem em tamanho e complexidade.
O futuro da pesquisa de RNA e da vida autônoma
A equipe de Joyce está recriando esse processo em tubos de ensaio de laboratório, aplicando pressão seletiva crescente no sistema para produzir polimerases de melhor desempenho, com o objetivo de um dia produzir uma RNA polimerase que possa se replicar. Isto marcaria o início da vida autônoma do RNA em laboratório, o que os pesquisadores dizem que poderia ser alcançado na próxima década.
Os cientistas também estão interessados no que mais poderá acontecer quando este mini “Mundo RNA” ganhar mais autonomia.
“Vimos que a pressão de seleção pode melhorar os RNAs com uma função existente, mas se deixarmos o sistema evoluir por mais tempo com populações maiores de moléculas de RNA, novas funções poderão ser inventadas?” diz o coautor David Horning, cientista do laboratório de Joyce. “Estamos entusiasmados em responder como o início da vida pode aumentar a sua própria complexidade, usando as ferramentas desenvolvidas aqui na Salk.”
Os métodos utilizados no laboratório Joyce também abrem caminho para experiências futuras que testam outras ideias sobre as origens da vida, incluindo quais as condições ambientais que poderiam ter melhor apoiado a evolução do ARN, tanto na Terra como noutros planetas.
Referência: “Evolução catalisada por RNA do RNA catalítico” por Nikolaos Papastavrou, David P. Horning e Gerald F. Joyce, 4 de março de 2024, Anais da Academia Nacional de Ciências.
DOI: 10.1073/pnas.2321592121
O trabalho foi apoiado por NASA (80NSSC22K0973) e a Fundação Simons (287624).
