Um dos maiores enigmas em torno da origem da vida é o clássico problema do ovo ou da galinha: como poderia o RNA ter ajudado a formar as primeiras células quando ainda não existiam células que contivessem RNA?
Sem compartimentos celulares, as delicadas moléculas de RNA teriam enfrentado grandes obstáculos na Terra primitiva. Eles precisariam se encontrar com frequência para sobreviver e interagir no ambiente quente, ácido e quimicamente desafiador.
Uma solução possível é a capacidade do RNA de se agrupar em gotículas semelhantes a líquidos, conhecidas como condensados. Essas estruturas não possuem membranas, mas podem concentrar moléculas de RNA em um só lugar. Isso poderia aumentar a probabilidade de interações químicas, bem como fornecer alguma proteção contra o ambiente hostil.
Por que o RNA forma gotículas tão facilmente?
Um novo estudo liderado pela Universidade de Buffalo está ajudando a explicar por que o RNA é particularmente bom na formação dessas condensações. publicado em comunicação da natureza De acordo com as diretrizes de acesso antecipado da revista, a pesquisa mostra que uma diferença química muito pequena entre o RNA e o DNA pode influenciar fortemente a facilidade com que o RNA forma gotículas à medida que a temperatura aumenta.
Essa mesma característica química torna a condensação do RNA mais propensa a desenvolver redes interconectadas e passar de um estado líquido para uma estrutura mais rígida, semelhante a um gel.
“Essas descobertas mostram pela primeira vez como mudanças notavelmente pequenas na química molecular podem controlar o surgimento de estruturas biomoleculares muito grandes e auto-organizadas, como condensados de RNA”, diz o principal autor correspondente Priya R. Banerjee, PhD, professor do Twentieth Century Club no Departamento de Física da UB. “Eles podem permitir-nos eventualmente abordar questões ainda mais profundas, como se estas condensações ajudaram a preencher a lacuna entre as moléculas simples e as primeiras formas de vida.”
O estudo foi conduzido em colaboração com Jarrell Joseph, Ph.D., professor assistente de engenharia química e biológica na Universidade de Princeton. A pesquisa foi apoiada pelos Institutos Nacionais de Saúde, pela National Science Foundation e pelo Hypothesis Fund.
Testando uma ideia-chave na teoria mundial do RNA
O trabalho faz parte da pesquisa mais ampla de Banerjee sobre a teoria mundial do RNA, que propõe que o RNA desempenhou um papel central no surgimento da vida na Terra.
O RNA é incomum porque pode armazenar informações genéticas e ajudar a realizar reações químicas. Essas habilidades teriam permitido que as primeiras moléculas de RNA realizassem a química que contribuiu para o surgimento do DNA, das proteínas e das primeiras células.
No entanto, a teoria mundial do RNA enfrenta há muito tempo questões importantes sem resposta. O RNA é relativamente instável, levantando a questão de como ele pode sobreviver sob condições prebióticas adversas. Os cientistas também precisam explicar como moléculas de RNA suficientes poderiam ter se reunido em um lugar para interagir antes que as membranas celulares existissem.
A condensação do RNA pode oferecer parte da resposta.
Um estudo de 2023 liderado por Banerjee mostrou que o RNA tem uma tendência natural de se organizar em gotículas líquidas em altas temperaturas. O novo trabalho baseia-se nessas descobertas comparando diretamente o RNA com o DNA de fita simples que continha sequências essencialmente idênticas.
O RNA condensa mais facilmente que o DNA
Em experiências de laboratório, os investigadores descobriram que o ARN começou a formar gotículas a temperaturas cerca de 10 graus Celsius inferiores às do ADN correspondente. Isto indicou que o RNA tinha uma tendência muito forte para condensar.
As moléculas de RNA também tinham maior probabilidade de formar redes conectadas dentro das gotículas. À medida que essas redes evoluíram, as gotículas mudaram de mais fluidas para algo mais gelatinoso. Tal infecção poderia potencialmente ajudar a proteger o RNA sob condições ambientais adversas.
Isto parece ser devido a diferenças extremamente pequenas na estrutura molecular.
RNA e DNA diferem quimicamente em apenas um átomo de oxigênio em cada unidade de açúcar. Cada açúcar do RNA contém um grupo químico chamado 2′-hidroxila (2′-OH), que não está presente no DNA.
Uma pequena diferença química tem um grande impacto
Para entender como essa característica altera o comportamento do RNA, os pesquisadores usaram microscopia com temperatura controlada, espalhamento de raios X de pequeno ângulo e simulações de dinâmica molecular realizadas pelo grupo Joseph.
Seus resultados mostram que o 2′-OH permite que o RNA interaja mais fortemente com os íons de magnésio. O RNA parece ter menos moléculas de água em torno de sua espinha dorsal do que o DNA.
Juntas, essas diferenças tornam mais fácil para as moléculas de RNA se aproximarem umas das outras e se reunirem à medida que a temperatura aumenta.
A equipe testou ainda mais sua importância alterando quimicamente o 2′-OH para 2′-OM, como é encontrado em muitos RNAs naturais. Essa modificação reduziu a tendência do RNA de formar condensados e também alterou se as estruturas resultantes permaneciam líquidas ou transitavam para um estado semelhante a gel.
“Este único grupo contendo oxigênio no açúcar do RNA tem um efeito surpreendentemente poderoso sobre se essas moléculas se unem, permanecem móveis ou são presas em um material semelhante a gel”, diz o primeiro autor Gable Wadsworth, PhD, pós-doutorado no laboratório de Banerjee que ingressará na Universidade do Texas em El Paso como professor assistente neste outono.
Criação de compartimentos de RNA que se comportam como células
O laboratório de Banerjee está agora a tentar levar as descobertas um passo adiante, através da engenharia de gotículas de RNA que podem realizar algumas das atividades básicas realizadas pelas células, incluindo reações bioquímicas.
Os pesquisadores estão trabalhando para programar essas gotículas para que se comportem como compartimentos ativos e dinâmicos em formato de célula. Se for bem-sucedido, este trabalho poderá fornecer a base para a criação de células sintéticas feitas inteiramente de RNA.
Também poderia fornecer novos insights sobre como as moléculas simples começaram a se organizar em sistemas cada vez mais complexos muito antes do surgimento das células modernas.
“Esses tipos de compartimentos de RNA auto-organizados foram provavelmente um passo em direção aos organismos unicelulares”, diz Banerjee.
