PROTOCÉLULAS SEM MEMBRANAS PODEM FORNECER PISTAS SOBRE A ORIGEM DA VIDA.

Conjuntos de moléculas sem membranas carregadas positivamente e negativamente podem reunir moléculas de RNA em gotículas líquidas densas, permitindo que os RNAs participem de reações químicas fundamentais. Esses conjuntos, chamados “coacervatos complexos”, também aumentam a capacidade de algumas moléculas de RNA de agir como enzimas – moléculas que impulsionam reações químicas. Eles fazem isso concentrando as enzimas RNA, seus substratos e outras moléculas necessárias para a reação. Os resultados dos testes e observações desses coacervados fornecem pistas para a reconstrução de alguns dos primeiros passos necessários para a origem da vida na Terra, no que é chamado de “RNA-World” pré-biótico. Um artigo descrevendo a pesquisa foi publicado por cientistas da Penn State na Nature Communications.

Protocélulas sem membranas – chamadas de coacervatos complexos – podem reunir moléculas de RNA, permitindo que os RNAs realizem certas reações, um passo importante na origem da vida na Terra. A imagem mostra gotículas de coacervatos complexos, como visto sob um microscópio. A inserção mostra que as moléculas de RNA (em azul ciano) são altamente concentradas dentro das gotículas, em comparação com as adjacentes (escuras). Com aproximadamente 2-5 micrômetros de diâmetro, as gotículas são cerca de 14 a 35 vezes mais finas que o cabelo humano. Crédito: Laboratório Bevilacqua, Penn State

“Estamos interessados ​​em como você vai de um mundo sem vida para um com vida”, disse Philip C. Bevilacqua, professor de Química e de Bioquímica e Biologia Molecular na Penn State e um dos principais autores do estudo. “Podemos imaginar muitos passos nesse processo, mas não estamos olhando para os passos mais elementares. Estamos interessados ​​em um passo um pouco mais adiante, para ver como as moléculas de RNA poderiam se formar a partir de seus blocos básicos de construção e se essas moléculas de RNA poderiam conduzir as reações necessárias para a vida na ausência de proteínas”.

A vida como a conhecemos hoje geralmente requer material genético – DNA, que é primeiramente transcrito em RNA. Essas duas moléculas carregam informações para a produção de proteínas, que, por sua vez, são necessárias para a maioria dos aspectos funcionais da vida, incluindo a produção de novo material genético. Isso cria um dilema de “galinha e ovo” para as origens da vida na Terra primitiva. O DNA é necessário para produzir proteínas, mas as proteínas são necessárias para produzir DNA.

“O RNA – ou algo similar – foi pensado como uma chave para resolver esse dilema”, disse Raghav R. Poudyal, bolsista de pós-doutorado Origins of Life da Penn State e primeiro autor do artigo. “As moléculas de RNA carregam informações genéticas, mas também podem funcionar como enzimas para catalisar as reações químicas necessárias para a vida. Esse fato levou à noção de que a vida na Terra passou por um estágio em que o RNA desempenhou um papel ativo na facilitação de reações químicas. – “o RNA World” – onde moléculas de RNA auto-replicantes carregam a informação genética e executam funções que são geralmente realizadas por proteínas “.

Outra característica comum da vida na Terra é que ela é compartimentalizada nas células, geralmente com uma membrana externa, ou em compartimentos menores dentro das células. Esses compartimentos garantem que todos os componentes para as reações químicas da vida são de fácil acesso, mas no mundo pré-biótico os blocos de RNA – ou as enzimas de RNA necessárias para conduzir as reações químicas que poderiam levar à vida – provavelmente teriam escassos, flutuando na sopa primordial.

“Você pode pensar nessas enzimas de RNA como um carro sendo produzido em uma linha de montagem”, disse Poudyal. “Se você não tem as peças no lugar certo na fábrica, a linha de montagem não funciona. Sem coacervatos, as partes necessárias para reações químicas são muito diluídas e é improvável que se encontrem, mas dentro dos coacervatos, todas as partes que a enzima precisa para trabalhar estão próximas”.

Os pesquisadores, portanto, analisaram uma variedade de materiais que podem ter existido na Terra pré-vida que podem formar coacervatos – protocélulas sem membranas – e então permitiram funções críticas como sequestrar os blocos de construção do RNA e reunir as enzimas RNA e seus alvos.

“Anteriormente, sabia-se que as moléculas de RNA podem se reunir e se alongar em soluções com altas concentrações de magnésio”, disse Poudyal. “Nosso trabalho mostra que coacervatos feitos a partir de certos materiais permitem que essa montagem de RNA mediada por matriz não enzimática ocorra mesmo na ausência de magnésio”.

Os coacervatos são compostos de moléculas carregadas positivamente chamadas poliaminas e polímeros carregados negativamente que se agrupam para formar compartimentos sem membranas em uma solução. Moléculas de RNA negativamente carregadas também são atraídas para as poliaminas nos coacervatos. Dentro dos coacervados, as moléculas de RNA são 4000 vezes mais concentradas do que na solução circundante. Ao concentrar as moléculas de RNA nos coacervados, as enzimas de RNA são mais propensas a encontrar seus alvos para conduzir reações químicas.

“Apesar de todas as poliaminas testadas serem capazes de participar na formação de gotículas ricas em RNA, elas diferem em sua capacidade de suportar o alongamento do RNA”, disse Christine Keating, professora de química na Penn State e autora sênior do estudo. “Essas observações nos ajudam a entender como o ambiente químico dentro de diferentes compartimentos sem membranas pode impactar as reações de RNA”.

“Embora não possamos olhar para trás para ver as medidas exatas tomadas para formar a primeira vida na Terra, coacervatos como os que podemos criar no laboratório podem ter ajudado, facilitando reações químicas que de outra forma não teriam sido possíveis”, disse Poudyal. .

Além de Bevilacqua, Poudyal e Keating, a equipe de pesquisa da Penn State inclui Rebecca M. Guth-Metzler, Andrew J. Veenis e Erica A. Frankel. A pesquisa foi apoiada pela Fundação Simons e pela NASA.

Jornal Referência: Raghav R. Poudyal, Rebecca M. Guth-Metzler, Andrew J. Veenis, Erica A. Frankel, Christine D. Keating, Philip C. Bevilacqua. Template-directed RNA polymerization and enhanced ribozyme catalysis inside membraneless compartments formed by coacervatesNature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-019-08353-4

Fonte: Science Daily

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