PRIMEIRAS CÉLULAS PODEM TER SURGIDO PORQUE OS BLOCOS DE CONSTRUÇÃO DAS PROTEÍNAS ESTABILIZARAM AS MEMBRANAS.

A vida na Terra surgiu há cerca de 4 bilhões de anos, quando as primeiras células se formaram dentro de uma sopa primordial de complexos compostos químicos ricos em carbono.

Ilustração abstrata das células (imagem conservada em estoque).
Crédito:© rost9/Adobe Stock

Essas células enfrentaram um enigma químico. Eles precisavam de íons específicos da sopa para realizar funções básicas. Mas esses íons carregados teriam interrompido as membranas simples que encapsulavam as células.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Washington (UW) resolveu esse enigma usando apenas moléculas que teriam estado presentes na Terra primitiva. Usando compartimentos cheios de fluido e do tamanho de uma célula, cercados por membranas feitas de moléculas de ácido graxo, a equipe descobriu que os aminoácidos, os blocos de construção das proteínas, podem estabilizar as membranas contra íons de magnésio. Seus resultados prepararam o cenário para as primeiras células codificarem suas informações genéticas no RNA, uma molécula relacionada ao DNA que requer magnésio para sua produção, enquanto mantém a estabilidade da membrana.

As descobertas, publicadas na revista Proceedings of the National Academy of Sciences, vão além de explicar como os aminoácidos poderiam ter estabilizado as membranas em ambientes desfavoráveis. Eles também demonstram como os blocos de construção individuais de estruturas celulares – membranas, proteínas e RNA – poderiam ter co-localizados em ambientes aquáticos na antiga Terra.

“As células são feitas de tipos muito diferentes de estruturas com tipos totalmente diferentes de blocos de construção, e nunca ficou claro por que elas se encaixariam de maneira funcional”, disse Roy Black, professor afiliado de química da UW. e bioengenharia. “A suposição foi apenas que – de alguma forma – eles vieram juntos”.

Black veio para a UW depois de uma carreira na Amgen pela oportunidade de preencher os detalhes cruciais que faltavam por trás disso “de alguma forma”. Ele se juntou a Sarah Keller, professora de química da UW e especialista em membranas. Black foi inspirado pela observação de que moléculas de ácido graxo podem se auto-montar para formar membranas, e sugeriram que essas membranas poderiam agir como uma superfície favorável para montar os blocos de construção de RNA e proteínas.

“Você pode imaginar diferentes tipos de moléculas se movendo dentro da sopa primordial como bolas de tênis difusas e bolas de squash saltando em uma grande caixa que está sendo abalada”, disse Keller, que também é autor correspondente no artigo. “Se você alinhar uma superfície dentro da caixa com velcro, apenas as bolas de tênis irão aderir a essa superfície, e elas ficarão próximas umas das outras. Roy teve a percepção de que as concentrações locais de moléculas poderiam ser aumentadas por um mecanismo similar”.

A equipe mostrou anteriormente que os blocos de construção do RNA se ligam preferencialmente às membranas de ácidos graxos e, surpreendentemente, também estabilizam as membranas frágeis contra os efeitos prejudiciais do sal, um composto comum no passado e no presente da Terra.

A equipe sugeriu que os aminoácidos também podem estabilizar as membranas. Eles usaram uma variedade de técnicas experimentais – incluindo microscopia de luz, microscopia eletrônica e espectroscopia – para testar como 10 aminoácidos diferentes interagiram com as membranas. Suas experiências revelaram que certos aminoácidos se ligam às membranas e as estabilizam. Alguns aminoácidos até provocaram grandes mudanças estruturais nas membranas, como a formação de esferas concêntricas de membranas – muito parecidas com as camadas de uma cebola.

“Os aminoácidos não estavam apenas protegendo as vesículas do rompimento por íons de magnésio, mas também criavam vesículas de multicamadas – como membranas aninhadas”, disse a principal autora do estudo, Caitlin Cornell, aluna de doutorado da UW no Departamento de Química.

Os pesquisadores também descobriram que os aminoácidos estabilizam as membranas por meio de mudanças na concentração. Alguns cientistas levantaram a hipótese de que as primeiras células possam ter se formado em bacias superficiais que passaram por ciclos de altas e baixas concentrações de aminoácidos à medida que a água evaporava e a água nova era lavada.

As novas descobertas que os aminoácidos protegem as membranas – bem como os resultados anteriores mostrando que os blocos de construção de RNA podem desempenhar um papel semelhante – indicam que as membranas podem ter sido um local para essas moléculas precursoras co-localizarem, fornecendo um mecanismo potencial para explicar o que reuniu os ingredientes para a vida.

Keller, Black e sua equipe voltarão sua atenção ao lado de como blocos de construção co-localizados fizeram algo ainda mais notável: eles se uniram para formar máquinas funcionais.

“Esse é o próximo passo”, disse Black.

Seus esforços contínuos também estão forjando laços entre disciplinas na UW.

“A Universidade de Washington é um lugar extraordinariamente bom para fazer descobertas por causa do entusiasmo da comunidade científica em trabalhar de forma colaborativa para compartilhar equipamentos e ideias entre departamentos e áreas”, disse Keller. “Nossas colaborações com o Drobny Lab e o Lee Lab foram essenciais. Nenhum laboratório poderia ter feito tudo isso.”

Os co-autores são Gary Drobny, professor de química da UW; Kelly Lee, professora associada de química medicinal da UW; UW pesquisadores de pós-doutorado Mengjun Xue e Helen Litz no Departamento de Química, e James Williams no Departamento de Química Medicinal; Os alunos de graduação da UW, Zachary Cohen, do Departamento de Química, e Alexander Mileant, do Programa de Pós-Graduação em Estrutura Biológica, Física e Design; e os alunos de graduação da UW, Andrew Ramsay e Moshe Gordon. A pesquisa foi financiada pela NASA, o National Institutes of Health e a National Science Foundation.

Jornal Referência: Caitlin E. Cornell, Roy A. Black, Mengjun Xue, Helen E. Litz, Andrew Ramsay, Moshe Gordon, Alexander Mileant, Zachary R. Cohen, James A. Williams, Kelly K. Lee, Gary P. Drobny, and Sarah L. Keller. Prebiotic amino acids bind to and stabilize prebiotic fatty acid membranesPNAS, 2019 DOI: 10.1073/pnas.1900275116

Fonte: Science Daily

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