EVOLUÇÃO PRÉ-BIOTICA – PROMISCUIDADE/ESPECIFICIDADE ENZIMÁTICA E O RNA-WORLD NO MODELO DE REPLICAÇÃO METABÓLICO.

Enzimas são biocatalisadores complexos, específicos e eficientes que estão presentes em todas as formas recentes de vida. Elas, obviamente, são produtos de adaptação darwiniana por bilhões de anos, por isso, certamente estavam presentes na Terra pré-biótica quando a vida se originou. Uma pressão evolutiva forte deve ter afetado a estrutura espacial e os aminoácidos mais próximos ao centro ativo das enzimas, ou seja, os detalhes da estrutura péptica delas é o grande responsável pela sua função catalítica.

RNA

RNA-World até a origem do DNA (Veja mais aqui)

Mantendo a sequência específica de aminoácidos (estrutura primária) de uma enzima sua relevância evolutiva é dada pelo tanto que ela afeta sua função catalítica, e sobretudo, o “balanço evolutivo” dos elementos estruturais menos importantes explica a divergência de enzimas que são semelhantes em termos da estrutura espacial de seus centros ativos e em sua função biológica (Konnyu & Czaran, 2011).

Foi na Terra pré-biótica que compostos inorgânicos foram vistos como os primeiros a realizar a função de biocatalisadores de Wächtershäuser (1900). De acordo com a hipótese, as primeiras reações químicas teriam ocorrido em superfícies minerais, por exemplo, na pirita. As condições pré-bióticas oferecem uma solução para o problema termodinâmico das reações de condensação era a produção de moléculas de água entre os seus produtos finais, em um ambiente saturado com água (isto é em essência a “’sopa pré-bióticos” (Maynard-Smith & Szathmary, 1995).

A superfície de uma pirita também é capaz de adsorver substratos orgânicos, aumentando assim as suas concentrações e sua capacidade de catalisar reações. Mesmo que esse efeito catalisador inorgânico seja não-específico e pouco eficiente, poderia ter sido o suficiente para ajudar o surgimento das primeiras macromoléculas relativamente complexas catalisadores com propriedades enzimáticas que poderiam ter trabalhado ligado à superfície (Ma et al, 2007). Se essas primeiras macromoléculas catalíticas foram peptídeos (como a maioria dos biocatalisadores hoje) ou espécies químicas muito diferentes ainda é tema de discussão (Kauffman, 1986).

A razão pela qual os primeiros biocatalisadores evoluíveis não poderiam ser peptídeos é que a transmissão do conteúdo da informação dos peptídeos para a próxima geração teria exigido um aparelho celular muito complicado e muito específico, como um mecanismo genético à base de peptídeos para a qual não há nenhuma evidência em organismos existentes (Maynard-Smith & Szathmary, 1995).

É plausível supor que as primeiras enzimas foram macromoléculas produzidas em superfícies minerais, capazes de desempenhar o duplo papel na função fenotípica, o de biocatálise e transferência de informação genética, evitando assim, o difícil problema da falta de tradução na origem da vida. O candidato mais provável para esta função é a molécula de RNA, uma vez que pode se ligar às superfícies minerais devido às suas cargas eletrostáticas e a sua produção em superfícies minerais foi provada experimentalmente (Ferris et al, 1996 e Ferris, 2006).

A sequência de nucleobases de RNA armazena informação biologicamente significativa que, em princípio, não é difícil de copiar, e dentro de cadeia bioquímica de emparelhamento de Watson/Crick pode produzir diferentes estruturas espaciais complicadas e reprodutíveis que podem mostrar diferentes atividades catalíticas, dependendo da sequência de bases da molécula (Gilbert, 1986). Recentes pesquisas empíricas tem proporcionado um amplo suporte a essa hipótese, demonstrando o amplo espectro de atividades catalíticas de RNA, o que levou à hipótese de um RNA-World ligado à superfície (Ferris et al, 1996. Ferris, 2006. Joyce, 2002. Landweber et al, 1998. Bartel& Unrau, 1999).

É claro que ainda há muitas questões insolúveis em relação aos mecanismos químicos implícitos pela hipótese de RNA-World. Um deles é a síntese de ribose, fosfatos e os quatro nucleobases sob condições ambientais pré-bióticas plausíveis que está longe de ser simples, mas à luz do trabalho empírico recente não parece ser impossível. Por exemplo, a reação formose é uma possível rota de síntese ribose, e síntese de Strecker em que se forma aminoácidos, nucleobases e muitos compostos biologicamente mais importante, exige uma rota química diferente (Ferris et al, 1978) sugerindo que eles deveriam ter sido produzidos e separados no espaço dando origem a riboses e nucleobases para a replicação do RNA.

Na síntese de Strecker preconiza-se que uma série de reações químicas que sintetizam um aminoácido a partir de um aldeído ou cetona. (Strecker, 1850). Nela, o aldeído é condensado com cloreto de amônio na presença de cianeto de potássio para formar um aminonitrilo-α, o qual é subsequentemente hidrolisado para dar o aminoácido desejado (Kendall & McKenzi, 1941) Nessa reação, o acetaldeído, amoníaco e cianeto de hidrogênio inicial são combinados para formar, após hidrólise a alanina.

No entanto, recentemente foi demonstrado que existe uma via química diferente para nucleotídeos que funciona em pH neutro e proporciona um excelente rendimento (Powner et al, 2009). Outro problema é o encadeamento de nucleotídeos sem agentes ativadores (por exemplo, imidazola) a 3´-5´, ou seja, na direção correta.

Schwartz e seus colegas demonstraram que os fosfitos são capazes de realizar o encadeamento de nucleotídeos na direção correta em água sem qualquer agente ativador presente, e o fosfito oxida o fosfato durante a reação (Schwartz, 2006). Superfícies minerais também promovem o encadeamento 3´-5´ em oligonucleotídeos longos (de 40 a 60-meros) (Ferris, 2006) e a segregação homoquiral de moléculas de açúcar (Bielski & Tencer, 2007), sem a qual o processo de polimerização seria bloqueado por um cruzamento enantiomérico (Joyce et al, 1984). Von Kiedrowski (1996) sugere que os constituintes de RNA devem ter sido polimerizados em superfícies minerais, mas muitas outras reações essenciais no caminho para a vida poderia ter ocorrido na água de oceanos pré-bióticos.

Outra questão problemática da hipótese de RNA-World é o ”Santo Graal” da evolução pré-biótica: a auto-replicação de moléculas de RNA, ou, mais precisamente, a falta de uma eficiente ribozima no lugar da RNA replicase. O problema está ligado ao paradoxo de Eigen (Eigen, 1979) afirma que, a precisa reprodução de longas ribozimas requer longas ribozimas para catalizar sua replicação.

Há duas soluções possíveis para o problema de integração de informações: ou muitas moléculas de RNA curto cooperaram entre si de forma obrigatória, ou uma ribozima RNA-replicase tem de evoluir de alguma forma “do zero” e manter a sua própria sequência como a de muitas outras, a de ribozimas que colaboram.

Resultados experimentais recentes mostram que ambas as formas são quimicamente viáveis já de pequenas moléculas de RNA são capazes de cooperar para catalisar a sua própria ligação em uma única fita de (Riley & Lehman, 2003). Ribozimas de RNA replicase foram pesquisadas por décadas, mas foi só muito recentemente que um substancial passo adiante foi dado a esse respeito: em um projeto evolução in vitro (Wochner et al, 2011) uma molécula de RNA de 189 nucleotídeos foi descoberta e era capaz de alongar o seu próprio iniciador de 95 nucleotídeos de uma maneira dirigida por molde. A fidelidade do processo de replicação foi de 99,4%.

Apesar de tais “elos perdidos” empíricos estarem em conexão com a hipótese de RNA-World parece bastante provável que as primeiras macromoléculas a se auto-reproduzirem com atividades catalíticas teria sido o RNA (ou moléculas muito semelhantes). Estudos teóricos sugerem que moléculas simples semelhantes a RNA de baixa especificidade e eficiência poderia ter evoluído para replicadores enzimáticos muito mais específicos e eficientes, através da adaptação gradual (Kacser, 1984)

Isso tem duas consequências importantes: em primeiro lugar, não é fácil de encontrar a “conformação nativa” de uma longa macromolécula e, segundo; a estrutura espacial complicada torna a copia dos blocos mais difícil, porque as moléculas longas tem que ser desdobradas antes de serem replicadas. Tais moléculas longas e complexas têm uma desvantagem significativa na aptidão e na replicação em relação as menores e mais simples, portanto, fáceis de copiar. No entanto, há uma maneira indireta de compensar a perda de fitness direta devido à complexidade estrutural. Replicadores complexos podem ter propriedades catalíticas muito melhores desde que replicador complexo possa contribuir de forma significativa para a produção das suas próprias monômeros devido ao seu efeito catalítico. Assim, seu fornecimento de monômero local vai ser maior que o de seus competidores não catalíticos e mais simples.

Esta vantagem adaptativa indireta pode ser suficiente para compensar a perda da aptidão causada pela diminuição da replicabilidade e o replicador catalítico pode se espalhar na população.

É claro que o argumento aplica-se apenas à produção de monômero de etapa única, ou seja, temos que assumir que o sucesso da enzima replicadora “A” catalisa a etapa terminal da produção de seus próprios monômeros, e que todos os outros recursos de replicação estão presentes no ambiente em concentrações suficientes (isto é, a população replicadora é heterotrófica em todos os outros aspectos). Tal situação ecológica é muito improvável para durar muito tempo: devido ao aumento do consumo, alguns dos substratos da reação catalisada vão se tornar escassos como o aumento da população do replicador de enzima “A” e vai esgota-los, criando uma pressão seletiva para uma segunda atividade enzimática “B” para produzir o substrato do replicador “A”, e assim por diante (Szathmary, (2007).

Como pode esta segunda atividade enzimática ser obtida por uma população de replicadores que mostram a atividade da enzima “A”?

Existem basicamente duas formas plausíveis para se chegar a isto: “promiscuidade” enzimática e ”cooperação” enzimática.

Promiscuidade enzimática significa que uma única enzima é capaz de catalisar duas (ou mais) reações diferentes. Isto foi considerado uma opção quase impossível até muito recentemente, porque a visão dominante sobre um peptídeo dobrar permitido apenas para uma única “conformação nativa” foi quebrada. A visão convencional parece estar consideravelmente enfraquecida por agora, porque muito poucas enzimas peptídicas e RNA tem revelado admitir mais do que uma conformação nativa, cada um dos quais têm de estar presentes para realizar uma única função (Huang et al, 2009), ou mais de uma conformação nativa, cada um com uma função diferente (O’Brien & Herschlag, 1999).

Tais enzimas multi-funcionais são pré-adaptadas para a diversificação e especialização tardia e para produzir diferentes tipos funcionais, basicamente, cada tipo gradualmente perdendo todas exceto uma única atividade, e a atividade retida acaba se tornando mais e mais específica de tal forma a tornar-se eficiente e por vezes fundamental. Isto leva à segunda opção: a cooperação de duas ou mais enzimas diferentes dentro da mesma comunidade molecular.

Promiscuidade

A coexistência e co-evolução dentro dessas comunidades moleculares têm sido estudada há mais de 30 anos, principalmente por meio de modelos matemáticos e de simulação buscando a solução para um problema ecológico básico: como poderia um número de diferentes replicadores moleculares utilizar recursos em comum para a sua replicação, e sendo fortes concorrentes entre si, formar um conjunto estável?

Todas as respostas dadas até agora assumem algum tipo de cooperação no cerne da comunidade replicadora, para compensar o efeito da concorrência que certamente arruina a diversidade molecular. O modelo de hiperciclo assume que a cooperação pode ser direta, e cada replicador especificamente catalisa a replicação de apenas outro membro da comunidade molecular em uma topologia circular (Scheuring, 2000). O modelo de rede autocatalítico de Kaufmann (1986) também assume a ajuda catalítica específica e direta entre diferentes replicadores. De acordo com o modelo de replicador metabólico, as espécies moleculares da comunidade podem ser acopladas através de mutualismo indireto, em que a cooperação e convivência são mediadas por um metabolismo comum que é impulsionado pelos replicadores como enzimas produtoras de monômeros para a comunidade (Konnyu, Czaran, Szathmary,  2008). Qualquer que seja a abordagem que adotamos, precisamos responder a duas questões básicas: O que faz e mantém os cooperadores moleculares de diferentes comunidades especializados? O que salva a comunidade de ser invadido e destruída por replicadores parasitas?

A resposta pode ser dada usando um modelo simples de especiação enzimática em uma população replicadora metabolicamente simples. Cada replicador pode ter duas atividades enzimáticas (E1 e E2), catalisando duas reações diferentes do metabolismo, mas esta versatilidade é paga em eficiência catalítica: ambas as atividades enzimáticas dos “generalistas” são fracas. E1 pode ser aumentada por uma mutação, mas só à custa de E2, e vice-versa, ou seja, as duas atividades enzimáticas estão em trade-off, ou seja, num conflito de escolhas.

Schultes & Bartel (Schultes & Bartel, 2000) ter fornecido a resposta de forma prova empírica usando a E1/E2. Elas tem duas dobras diferentes de uma mesma seqüência de RNA, cada qual com uma atividade catalítica diferente: uma dobra tem uma ligase, a outra catalisa uma reação de clivagem. As duas atividades enzimáticas têm mostrado o trade-off: a dobra da ligase foi muito fraco durante a clivagem, a dobra da clivagem foi mau ligada e as dobras intermediárias artificiais eram fracas em ambas as atividades.

De acordo com as restrições da natureza espacial sobre a replicação mencionado acima, sabemos que replicadores enzimáticos eficientes têm uma estrutura secundária complicada que os torna difíceis de copiar, mas a replicação é um processo simples, dirigida por molde não enzimática e fracamente catalisada pela própria superfície. Isso permite inferir que as atividades enzimáticas e as taxas de replicação também são negociadas: boas enzimas fazem modelos pobres para replicação, e vice-versa.

Em experimentos de seleção in vitro (Landweber et al, 1998 e Bartel & Unrau, 1999) destinados a produzir moléculas de RNA de diferentes fenótipos têm sugerido que a diversidade funcional de populações molécula de RNA que consiste mesmo em sequências de nucleotídeos curtas que poderia ter sido suficientemente elevado para o arranque a vida na Terra pré-biótica [Ma et al, 2007 & Garay, 2010).

Os modelos teóricos (Konnyu, Czaran, Szathmary, 2008) têm demonstrado que, uma vez que algumas funcionalidades básicas que garantam a auto-reprodução dos organismos do RNA-world estão no lugar, o caminho para a obtenção de funções mais eficientes através da evolução darwiniana RNA está aberta. As comunidades resultantes dos primeiros replicadores devem ter evoluído no sentido de uma maior eficiência através de uma cooperação a longo prazo, mas a concorrência de curto prazo entre as seqüências de RNA diferentes eram obviamente inevitáveis, porque as diferentes espécies de RNA devem ter usado os mesmos recursos (monômeros) para replicação. Os problemas ecológicos da exclusão competitiva de seqüências de RNA replicantes mais lentas e a possível invasão de uns parasitas foram abordados em muito poucos estudos teóricos e precisam de mais evidencias. Sabemos que a promiscuidade enzimática pode estar na base da toda origem da vida, como demonstrado empiricamente, e que comunidades de RNA certamente foram selecionadas segundo sua funcionalidade (Konnyu & Czaran, 2011).

Victor Rossetti

Palavras chave: NetNature, Rossetti, RNA-World, Enzimas, Pirita, Promiscuidade Enzimática, DNA, Replicação, Eigen, Stercker

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Referências

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