Um jantar em família leva dois cientistas israelenses a uma pista sobre a origem da vida

Naquela noite, Poltiel descreveu sua pesquisa sobre a separação de moléculas de acordo com sua estrutura. A conversa leva irmão e irmã a uma nova área para ambos: a origem da vida na Terra.

A sua investigação conjunta, publicada recentemente na revista científica Chem, representa um possível elo perdido numa teoria que sugere que a vida começou no fundo de lagos rasos ricos em material magnético.

Existem mistérios teimosos na estrutura da matéria viva. Muitas moléculas biológicas existem em duas formas que são imagens espelhadas uma da outra, ou seja, canhotas e destras. Os químicos chamam essa propriedade de quiralidade.

Teoricamente, deveria haver quantidades iguais de formas esquerda e direita na natureza. Mas as criaturas vivas mostram uma forte preferência por um. Os aminoácidos, os blocos de construção das proteínas, são quase todos canhotos, enquanto as moléculas de DNA e RNA giram em direções opostas.

Esta desigualdade não é um detalhe menor. As reações biológicas dependem de estruturas moleculares específicas. Sem quiralidade adequada, uma reação pode falhar completamente. Por essa razão, a quiralidade das moléculas biológicas é considerada uma das impressões digitais químicas essenciais da vida na Terra.

Num jantar em família, Paltiel descreve o seu trabalho de longa data com outro cientista do Instituto Weizmann, o professor Ron Naman, na separação de moléculas por quiralidade usando magnetismo. As próprias moléculas quirais não são magnéticas, mas as superfícies magnéticas podem atrair seletivamente um tipo de quiralidade com base em sua forma de imagem espelhada.

Essa propriedade pode ser usada para separar moléculas e cristais por quiralidade, um processo essencial para a produção de medicamentos, pesticidas e muitos outros produtos químicos. Sem essa segregação, os materiais industriais podem ser, na melhor das hipóteses, inúteis ou, na pior das hipóteses, perigosos.

Enquanto Poltiel descrevia seu trabalho, Sharon percebeu que suas próprias habilidades poderiam ajudar. Ele é especialista em espectrometria de massa, método que identifica moléculas medindo sua massa. Ele sugeriu usar a técnica para analisar e rastrear a separação das moléculas de acordo com a quiralidade.

O experimento, desenhado por dois laboratórios, foi liderado por Ofek Vardi, estudante de doutorado no laboratório de Paltiel. A equipe de pesquisa usou versões de metionina para canhotos e destros, um aminoácido necessário para produzir proteínas nas células, e passou uma solução através de papel de filtro embutido com partículas magnéticas de alguns mícrons de tamanho.

Para rastrear o aminoácido, os cientistas usaram moléculas de metionina contendo dois tipos de átomos de carbono, conhecidos como isótopos, que são átomos do mesmo elemento químico com pesos diferentes. Em alguns experimentos, as moléculas destras contêm o isótopo mais comum e mais leve, o carbono-12, enquanto as moléculas destras contêm o carbono-13, mais pesado. Em outros experimentos, os pesquisadores inverteram o arranjo dos isótopos.

Eles também inverteram a direção do ímã em repetidas rodadas do experimento. Após cada rodada, eles usaram espectrometria de massa para medir as proporções de isótopos e monitorar a separação que ocorreu entre as moléculas que passavam pelo filtro.

Os resultados foram surpreendentes. Foi demonstrado que o filtro magnético separa as moléculas de metionina não apenas pela quiralidade, mas também pelos isótopos que elas contêm. Moléculas com carbono pesado, canhotas ou destras, foram mais fortemente atraídas por partículas magnéticas voltadas para um lado do que para o outro. Então os cientistas deram um passo adiante.

“Usamos moléculas de metionina canhotas que diferem umas das outras em seu conteúdo isotópico”, explica Verdi. “Para nossa surpresa, o filtro magnético mostrou uma preferência sistemática por uma composição isotópica em detrimento de outra.”

Em outras palavras, o magnetismo pode diferenciar não apenas entre quiralidade destra e canhota, mas também entre isótopos.

“Esta foi a descoberta mais importante e surpreendente do estudo”, disse Poltiel. Ele explica que a separação magnética das moléculas quirais é causada por uma propriedade quântica dos elétrons chamada spin, uma pequena propriedade magnética que faz a diferença entre imagens espelhadas. Os isótopos também podem diferir no spin, mas no spin do núcleo atômico e não no do elétron.

Esse efeito é geralmente menor que o spin do elétron. Os pesquisadores levantam a hipótese de que a estrutura tridimensional da molécula quiral pode amplificar a interação entre os dois tipos de spins, criando uma conexão até então desconhecida entre a atração magnética e a composição isotópica.

A quiralidade não é a única impressão digital química da vida. Os organismos vivos também diferem ligeiramente, mas consistentemente, da matéria inanimada em suas proporções isotópicas. A vida prefere isótopos mais leves. As plantas e os animais, por exemplo, contêm ligeiramente menos carbono-13 do que o seu ambiente.

Os cientistas usam essas diferenças para detectar vestígios de atividade biológica antiga. Estes padrões isotópicos podem ser preservados nas rochas durante milhares de milhões de anos, fornecendo pistas sobre o início da vida na Terra.

As novas descobertas, pela primeira vez, apontam para uma ligação entre estas duas impressões digitais: quiralidade e razão isotópica. Se as reações bioquímicas iniciais ocorrerem em superfícies magnéticas, o magnetismo pode ter um efeito permanente em ambas as propriedades.

A ideia se enquadra na hipótese proposta pelo grupo do professor Dimitar Saselov, da Universidade de Harvard, segundo a qual a vida na Terra se desenvolveu em superfícies magnéticas naturais, como o fundo de lagos antigos, ricos em minerais. Com o tempo, as reações químicas envolvendo minerais de ferro podem produzir depósitos magnéticos em águas quentes e rasas, um ambiente que poderia ser adequado para o surgimento da vida.

Se assim for, estas superfícies magnéticas poderiam criar uma preferência por moléculas com uma certa quiralidade, ao mesmo tempo que influenciam a sua composição isotópica.

“Se a vida realmente começou em superfícies magnéticas, os nossos resultados fornecem evidências experimentais de que o magnetismo pode ser responsável tanto pela orientação específica das moléculas biológicas como pela proporção isotópica da matéria viva”, disse Paltiel.

Além de possíveis insights sobre as origens da vida, o estudo também pode ter implicações práticas. Isso poderia levar a novas tecnologias que combinam ressonância magnética com espectrometria de massa para separar moléculas tanto por quiralidade quanto por razão isotópica.

Para Sharon e Paltiel, o projeto também tem uma dimensão pessoal. Seu pai, Dr. JV Paltiel, um físico aposentado do Instituto Weizmann de Ciência, dedicou a maior parte de sua carreira ao ensino de ciências.

“Ela nos encorajou a explorar desde tenra idade e compartilhou conosco sua maravilha pela natureza: por que o pôr do sol é vermelho, como a chuva cai e por que às vezes cai em um canto”, lembra Sharon.

Os irmãos cooperaram anteriormente, graças a um dos alunos de Paltiel. “O estudante me disse que queria que considerássemos uma colaboração com um professor do Instituto Weizmann porque ele era um especialista de renome mundial em espectrometria de massa, e perguntou se eu tinha objeções”, disse Poltiel. “Eu respondi a ela: ela é minha irmã.”

Até o projeto atual, Sharon acreditava que suas áreas de pesquisa eram distantes umas das outras. “Sempre pensei que Yossi e eu trabalhávamos em áreas completamente diferentes”, diz ela. “Agora, ao tentar encontrar a origem da vida, descobrimos um fio condutor”.

O estudo também incluiu Nir Uran e Dra. Shira Yochelis do laboratório de Paltiel; Dr. Gilly Ben-Nisan do laboratório de Sharon no Departamento de Ciências Biomoleculares do Instituto Weizmann; e Dr. do Instituto de Química da Universidade Hebraica de Jerusalém. Ella Jacob.