Um estudo recente da Scripps Research propõe um caminho credível para a formação inicial e evolução das protocélulas, sugerindo que a fosforilação pode ter sido crucial no desenvolvimento de precursores complexos e funcionais para a vida na Terra há cerca de 4 mil milhões de anos. Esta descoberta aumenta a nossa compreensão das origens da vida e do ambiente químico da Terra primitiva. Crédito: SciTechDaily.com
A recente descoberta de um novo fosfolípido diminui a lacuna na compreensão de como as células primordiais surgiram durante a origem da vida.
Há aproximadamente 4 mil milhões de anos, a Terra estava em processo de criação de condições adequadas à vida. Os cientistas que estudam a origem da vida muitas vezes se perguntam se o tipo de química encontrada na Terra primitiva era semelhante ao que a vida exige hoje. Eles sabem que coleções esféricas de gordura, chamadas protocélulas, foram as precursoras das células durante o surgimento da vida. Mas como surgiram e se diversificaram as protocélulas simples para eventualmente levar à vida na Terra?
Agora, os cientistas da Scripps Research descobriram um caminho plausível de como as protocélulas podem ter se formado e progredido quimicamente para permitir uma diversidade de funções.
As descobertas, publicadas recentemente na revista Química, sugerem que um processo químico chamado fosforilação (onde grupos fosfato são adicionados à molécula) pode ter ocorrido mais cedo do que o esperado anteriormente. Isso levaria a protocélulas de cadeia dupla estruturalmente mais complexas, capazes de abrigar reações químicas e se dividir com uma ampla gama de funcionalidades. Ao revelar como as protocélulas se formaram, os cientistas podem compreender melhor como a evolução inicial poderia ter ocorrido.
Os blocos de construção para a vida
“Em algum momento, todos nos perguntamos de onde viemos. Descobrimos agora uma maneira plausível de os fosfatos terem sido incorporados em estruturas semelhantes a células antes do que se pensava anteriormente, o que estabelece os blocos de construção para a vida”, diz Ramanarayanan Krishnamurthy, Ph.D., co-autor sênior correspondente e professor em o Departamento de Química da Scripps Research. “Esta descoberta ajuda-nos a compreender melhor os ambientes químicos da Terra primitiva, para que possamos descobrir as origens da vida e como a vida pode evoluir na Terra primitiva.”
Krishnamurthy e sua equipe estudam como ocorreram os processos químicos que causaram os produtos químicos e formações simples que estavam presentes antes do surgimento da vida na Terra pré-biótica. Krishnamurthy também é co-líder de um NASA iniciativa que investiga como a vida surgiu nesses ambientes primitivos.
Vesículas dentro da estrutura semelhante a uma protocélula. Crédito: Pesquisa Scripps
Neste estudo, Krishnamurthy e sua equipe colaboraram com o laboratório do biofísico de matéria mole Ashok Deniz, PhD, co-autor sênior correspondente e professor do Departamento de Biologia Integrativa Estrutural e Computacional da Scripps Research. Eles procuraram examinar se os fosfatos podem estar envolvidos durante a formação das protocélulas. Os fosfatos estão presentes em quase todas as reações químicas do corpo, por isso Krishnamurthy suspeitou que eles pudessem estar presentes antes do que se acreditava anteriormente.
Os cientistas pensavam que as protocélulas eram formadas a partir de ácidos graxos, mas não estava claro como as protocélulas passaram de uma cadeia única para uma cadeia dupla de fosfatos, que é o que lhes permite ser mais estáveis e abrigar reações químicas.
Insights experimentais sobre a evolução das protocélulas
Os cientistas queriam imitar condições prebióticas plausíveis – os ambientes que existiam antes do surgimento da vida. Eles primeiro identificaram três prováveis misturas de produtos químicos que poderiam criar vesículas, estruturas esféricas de lipídios semelhantes às protocélulas. Os produtos químicos utilizados incluíam ácidos graxos e glicerol (um subproduto comum da produção de sabão que pode ter existido durante o início da Terra). Em seguida, observaram as reações dessas misturas e adicionaram produtos químicos adicionais para criar novas misturas. Estas soluções foram arrefecidas e aquecidas repetidamente durante a noite com alguma agitação para promover reações químicas.
Veena Kollery, PhD; Ashok Deniz, PhD; e Sunil Pulletikurti, PhD. Crédito: Pesquisa Scripps
Eles então usaram corantes fluorescentes para inspecionar as misturas e avaliar se havia ocorrido formação de vesículas. Em certos casos, os pesquisadores também variaram o pH e as proporções dos componentes para entender melhor como esses fatores impactaram a formação de vesículas. Eles também analisaram o efeito dos íons metálicos e da temperatura na estabilidade das vesículas.
“As vesículas foram capazes de fazer a transição de um estado gorduroso ácido ambiente para um ambiente fosfolipídico durante nossos experimentos, sugerindo que um ambiente químico semelhante poderia ter existido há 4 bilhões de anos”, diz o primeiro autor Sunil Pulletikurti, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Krishnamurthy.
Acontece que os ácidos graxos e o glicerol podem ter sofrido fosforilação para criar aquela estrutura de cadeia dupla mais estável. Em particular, os ésteres de ácidos graxos derivados do glicerol podem ter levado a vesículas com diferentes tolerâncias a íons metálicos, temperaturas e pH – um passo crítico na diversificação da evolução.
“Descobrimos um caminho plausível de como os fosfolipídios poderiam ter surgido durante esse processo evolutivo químico”, diz Deniz. “É emocionante descobrir como as primeiras substâncias químicas podem ter feito a transição para permitir a vida na Terra. Nossas descobertas também sugerem uma riqueza de física intrigante que pode ter desempenhado papéis funcionais importantes ao longo do caminho para as células modernas.”
A seguir, os cientistas planeiam examinar porque é que algumas das vesículas se fundiram enquanto outras foram divididas para compreender melhor os processos dinâmicos das protocélulas.
Referência: “Modelagem experimental do surgimento de vesículas fosfolipídicas prebioticamente plausíveis” por Sunil Pulletikurti, Kollery S. Veena, Mahipal Yadav, Ashok A. Deniz e Ramanarayanan Krishnamurthy, 29 de fevereiro de 2024, Química.
DOI: 10.1016/j.chempr.2024.02.007
O trabalho foi apoiado pela NASA Astrobiology-Exobiology (concessão 80NSSC20K0625) e pela Simons Foundation (concessão 327124FY19).
