Onde e como surgiu a vida na Terra? Essas questões estão no centro da pesquisa do Instituto de Evolução Molecular da Universidade Heinrich Heine em Düsseldorf (HHU). Agora, uma equipa internacional liderada por biólogos em Düsseldorf relata novas descobertas na Science Advances que lançam luz sobre as redes de reações químicas utilizadas pelas primeiras células para produzir os ingredientes básicos da vida, bem como as fontes de energia que impulsionam essas reações. Ao rastrear as origens das enzimas até à divisão inicial entre bactérias e arquéias, os investigadores encontraram evidências de que as células de vida livre podem ter surgido independentemente duas vezes.
Há cerca de 4 mil milhões de anos, a Terra parecia muito diferente do planeta que conhecemos hoje. Se fosse possível ver as primeiras células tomando forma, o cenário incluiria duas formas distintas de vida celular primitiva.
“Veremos o surgimento de dois tipos diferentes de células, bactérias pioneiras e arquéias pioneiras, que estão a fazer as suas primeiras tentativas de vida fora dos limites das fontes hidrotermais”, diz Natalia Mrnjavac, bióloga da Universidade de Düsseldorf e autora principal da nova publicação. avanço da ciência.
Mrnjavac e uma equipe internacional examinaram genomas, estruturas proteicas e reações químicas para investigar alguns dos primeiros estágios da evolução microbiana, incluindo o período anterior à existência de células de vida totalmente livre.
“Essas comparações estão nos dando uma visão sem precedentes sobre o estágio da evolução em que o metabolismo catalisado por enzimas surgia de reações espontâneas catalisadas por metais na crosta terrestre”, diz o biólogo de Düsseldorf, William Martin, autor sênior do estudo.
Reconstruindo a química do início da vida
Em vez de se concentrarem apenas em partes selecionadas do metabolismo inicial, os investigadores examinaram todo o conjunto de reações químicas que as células usaram para criar componentes biológicos essenciais (aminoácidos, bases de ARN e vitaminas) a partir de materiais disponíveis na Terra primitiva, incluindo gás hidrogénio, amoníaco e CO2.
Essas 420 reações químicas juntas formam a rede metabólica conhecida como metabolismo. As próprias respostas são extremamente antigas e são preservadas ao longo da vida em menor grau do que o código genético.
O que surpreendeu os pesquisadores foi que as enzimas responsáveis por realizar essas reações não apresentaram o mesmo nível de conservação entre bactérias e arqueas.
Martin: “Surpreendentemente, as enzimas que catalisam essas reações não são conservadas ao longo da divisão evolutiva que separa bactérias e arqueas. Descobrimos que o último ancestral universal de todas as células, LUCA, tinha enzimas para apenas metade das reações metabólicas. A outra metade foi catalisada por metais no ambiente onde o LUCA surgiu.”
Essa descoberta sugere que o metabolismo inicial era muito mais dependente do ambiente circundante do que o metabolismo celular moderno.
“Os metais que ocorrem naturalmente nas fontes hidrotermais podem substituir um número surpreendentemente grande de enzimas no metabolismo”, diz o químico inorgânico Harun Tuysuz. Instituto Max Planck de Pesquisa de Carvão e IMDEA Materials Institute em Madrid, e coautor do estudo.
“Quanto mais de perto olhamos, mais claramente podemos ver que a evolução bioquímica inicial foi uma mistura de catalisadores enzimáticos e metálicos”, diz Joseph Moran, da Universidade de Ottawa, no Canadá, líder internacional na utilização de metais para catalisar reações metabólicas, substituindo enzimas e cofatores.
De catalisadores metálicos a enzimas
Um dos principais avanços do estudo foi a reconstrução de quatro etapas no desenvolvimento inicial de catalisadores orgânicos.
O processo parece ter se originado de reações impulsionadas inteiramente por metais. Isto foi seguido por uma fase no LUCA em que metais e enzimas trabalharam juntos. Posteriormente, bactérias e arqueas começaram a seguir caminhos evolutivos diferentes. Dentro de cada linhagem, as enzimas recentemente desenvolvidas substituíram gradualmente os catalisadores inorgânicos fornecidos pelo ambiente onde o metabolismo evoluiu pela primeira vez.
É importante ressaltar que os pesquisadores identificaram exemplos em que bactérias e archaea desenvolveram independentemente diferentes enzimas capazes de desempenhar as mesmas funções metabólicas essenciais.
“Podemos ver casos em que os ancestrais das bactérias e das archaea desenvolveram independentemente enzimas estruturalmente diferentes para catalisar a mesma reação metabólica essencial”, diz Mrnjavac, “tais invenções paralelas poderiam ter aberto o caminho para o surgimento independente de bactérias e archaea de vida livre.”
Essa evolução paralela pode ser importante porque pode permitir que as duas linhagens se tornem menos dependentes da química da fonte hidrotermal e eventualmente sobrevivam como células independentes.
Como o metabolismo precoce pode funcionar
A segunda grande questão está relacionada com a energia. As células modernas dependem fortemente do ATP para alimentar o metabolismo, mas o próprio ATP é uma molécula complexa produzida com a ajuda de enzimas. Não está prontamente disponível em ambientes hidrotermais antigos.
Assim, os pesquisadores investigaram o que poderia ter fornecido energia antes da existência do metabolismo baseado em ATP.
“Identificamos uma nova fonte de energia de origem metabólica”, diz Manon Schleicher, da equipe de Düsseldorf.
Uma resposta possível envolve o paládio, um metal que ocorre naturalmente nas fontes hidrotermais e que os químicos conhecem como um catalisador eficaz há quase um século.
A equipe descobriu que o fosfito, forma de fósforo encontrada naturalmente nas fontes hidrotermais, pode reagir com compostos orgânicos na presença de paládio e gerar reações que envolvem fosforilação metabólica.
“Quando reagimos o fosfito, uma forma de fósforo que ocorre naturalmente nas fontes hidrotermais, com compostos orgânicos, obtemos reações metabólicas de fosforilação que ocorrem durante a noite na água. O fosfolito e o paládio substituem o ATP e as enzimas; é incrível e torna muito mais fácil entender a evolução inicial”, diz Schlicker.
O resultado fornece uma possível explicação de como algumas reações metabólicas iniciais podem ter obtido a energia necessária para prosseguir antes da evolução dos sistemas energéticos biológicos modernos.
Mapeamento de 420 reações sobre a origem do metabolismo
Esta pesquisa é o primeiro estudo que se concentra especificamente na rede completa de reações chamada metabolismo.
Existem 420 reações altamente interligadas nessa rede, e muitos compostos semelhantes participam em múltiplas partes do sistema. Devido a essas conexões, reconstruir como a rede pode ter evoluído ao longo do tempo apresenta um problema matemático difícil.
O professor Mike Steele, da Universidade de Canterbury, na Nova Zelândia, e o professor Daniel Hassan, da Universidade de Tübingen, trouxeram para o projeto experiência na análise de redes complexas.
Ele desenvolveu um método que permitiu aos pesquisadores organizar as reações metabólicas das mais simples às mais complexas. A sequência resultante pode, pelo menos em parte, refletir a ordem em que essas reações apareceram durante os primeiros estágios da evolução biológica.
Steele diz: “A primeira questão é se existe ou não uma ordem única para essas reações. Assim que pudemos provar que existe uma, os algoritmos para ordená-las tornaram-se simplificados.”
Um código genético, mas duas origens da vida
Compreender como a vida começou aborda uma das questões mais fundamentais da humanidade: de onde viemos, onde surgiram os primeiros sistemas vivos e como as primeiras células da Terra foram capazes de sobreviver.
De acordo com os investigadores, a implicação mais ampla das suas descobertas é que as bactérias e as archaea não transitaram juntas para uma vida celular independente. Em vez disso, cada linhagem parece ter alcançado um estado de vida livre diferente.
Martin: “Os novos dados deixam apenas uma conclusão. As linhagens bacterianas e arqueais transitaram independentemente para um estado de vida livre. Apenas as células de vida livre estão vivas. Vamos chamar-lhe um nome: estamos a olhar para uma origem do código genético, mas duas origens da vida.”
Além de pesquisadores do HHU, a equipe internacional incluiu cientistas das Universidades de Canterbury (Nova Zelândia), Rostock, Constança, Ottawa (Canadá), Estrasburgo e Tübingen, o Instituto Max-Planck de Microbiologia Terrestre em Marburg. Instituto Max Planck de Pesquisa de Carvão no IMDEA Materials Institute em Mülheim/Ruhr e Madrid (Espanha).
Antecedentes: Bactérias e Archaea
Os biólogos dividem amplamente a vida celular em duas categorias. Eucariontes são células avançadas que contêm um núcleo, enquanto linhagens celulares mais antigas sem núcleo são conhecidas como procariontes.
Os procariontes incluem dois ramos fundamentais da vida: bactérias e arqueas. Muitos destes organismos são capazes de sobreviver em condições extremas, incluindo temperaturas extremamente altas e ambientes extremamente ácidos ou alcalinos.
Muitos também vivem em torno de fontes hidrotermais no fundo do oceano, ambientes que algumas teorias identificam como possíveis locais onde a vida surgiu.
