Anotações científicas - 23

O Continuum da Complexidade: Da Geoquímica à Informação Biológica

A transição da matéria inanimada para os primeiros sistemas biológicos é frequentemente representada como um salto intransponível, mas as pesquisas em química prebiótica revelam um cenário muito diferente: um continuum de complexidade crescente, onde minerais, pequenas moléculas e ciclos ambientais colaboram para "moldar" a biologia. Este conjunto de anotações reúne estudos fundamentais que demonstram como os blocos construtores da vida não surgiram no vácuo, mas foram selecionados e organizados por forças ambientais e mecanismos de autocatálise.

Os artigos aqui selecionados exploram três pilares cruciais dessa transição:

1. Catálise Mineral e Peptídica: Como óxidos de ferro comuns em sedimentos antigos (como a goethita) podem ter servido de "berço" para a formação de proteínas, e como pequenos peptídeos podem formar ciclos autocatalíticos, criando catalisadores que ajudam a sintetizar a si mesmos.

2. A Plasticidade dos Ácidos Nucleicos: A descoberta de que o RNA e o DNA podem ter tido antecessores mais simples e flexíveis, como o FNA e o GNA. Esses "pré-RNAs" mostram que a transferência de informação genética não depende exclusivamente da estrutura rígida que conhecemos hoje, mas pode ocorrer através de moléculas acíclicas e menos exigentes do ponto de vista estereoquímico.

3. Simbiose com o Ambiente: A evidência de que a quiralidade e a polimerização são propriedades que emergem da interação direta entre o organismo em formação e o meio fisioquímico ativo.

Esses apontamentos reforçam que a "demarcação" entre química e biologia é, na verdade, uma zona de transição vibrante. Ao observar como polimerases modernas ainda reconhecem análogos primitivos e como minerais simples ditam a formação de ligações peptídicas, percebemos que a vida é a manifestação de uma inteligência físico-química que já operava na Terra muito antes da primeira célula se fechar em uma membrana.

Cinco anotações sobre moléculas e reações
(com implicações na origem da vida)

1

Oligomerização de glicina e alanina catalisada por óxidos de ferro

Shanker, U., Bhushan, B., Bhattacharjee, G. et al. Oligomerization of Glycine and Alanine Catalyzed by Iron Oxides: Implications for Prebiotic Chemistry. Orig Life Evol Biosph 42, 31–45 (2012). https://doi.org/10.1007/s11084-012-9266-5
https://link.springer.com/article/10.1007/s11084-012-9266-5

Resumo

Minerais de óxido de ferro são prováveis ​​constituintes dos sedimentos presentes em regiões geotérmicas da Terra primitiva. Eles podem ter adsorvido diferentes monômeros orgânicos (aminoácidos, nucleotídeos, etc.) e catalisado processos de polimerização, levando à formação da primeira célula viva. No presente trabalho, testamos a atividade catalítica de três formas de óxidos de ferro (goethita, akaganeíta e hematita) na condensação intermolecular dos aminoácidos glicina e L-alanina. O efeito do óxido de zinco e do dióxido de titânio na oligomerização também foi estudado. Os estudos de oligomerização foram realizados durante 35 dias em três temperaturas diferentes: 50, 90 e 120 °C, sem a aplicação de ciclos de secagem/umidificação. Os produtos formados foram caracterizados por HPLC e ESI-MS. Todas as três formas de óxidos de ferro catalisaram a formação da ligação peptídica (23,2% para glicina e 10,65% para alanina). A reação foi monitorada a cada 7 dias. Observou-se que a formação de peptídeos iniciava-se após 7 dias a 50 °C. O rendimento máximo de peptídeos foi obtido após 35 dias a 90 °C. A reação a 120 °C favorece a formação de derivados de dicetopiperazina. É importante notar também que, após 35 dias de reação, a goethita produziu dímeros e trímeros com o maior rendimento entre os óxidos testados. Sugerimos que a atividade da goethita possa ser atribuída à sua elevada área superficial e acidez superficial.

2

A estrutura e as capacidades sintéticas de um peptídeo catalítico formado por mecanismo direcionado pelo substrato

Fleminger, G., Yaron, T., Eisenstein, M. et al. The Structure And Synthetic Capabilities Of A Catalytic Peptide Formed By Substrate-Directed Mechanism – Implications To Prebiotic Catalysis. Orig Life Evol Biosph 35, 369–382 (2005). https://doi.org/10.1007/s11084-005-4084-7 

Resumo

Anteriormente, demonstramos que um substrato pequeno pode servir como molde na formação de um peptídeo catalítico específico, um fenômeno que pode ter desempenhado um papel importante na síntese prebiótica de catalisadores peptídicos. Isso foi demonstrado experimentalmente pela formação de um metalo-dipeptídeo catalítico, Cys2-Fe2+, em torno de o-nitrofenil β-D-galactopiranosídeo (ONPG), por condensação assistida por dicianodiamida (DCDA) em meio aquoso. Esse dipeptídeo foi capaz de hidrolisar ONPG com uma atividade específica apenas 1000 vezes menor que a da β-galactosidase. Neste artigo, utilizamos técnicas de modelagem molecular para elucidar a estrutura desse catalisador e seu complexo com o substrato, e propomos um mecanismo hipotético para a formação do catalisador e seu modo de ação como uma “minienzima”. Esse modelo sugere que a interação do íon Fe2+ com os oxigênios do ONPG e com dois grupos SH de cisteína promove a formação específica do catalisador Cys2-Fe2+. De forma semelhante, a interação do catalisador com o ONPG é mediada pelo seu Fe2+ com os oxigênios do substrato, levando à sua hidrólise. Além disso, formas imobilizadas do catalisador foram sintetizadas em dois suportes – Eupergit C e esferas de vidro amino. Essas preparações foram capazes de catalisar a formação de ONPG a partir de β-D-galactose e o-nitrofenol (ONP) em condições anidras. A capacidade do catalisador de sintetizar o substrato que medeia sua própria formação cria um ciclo autocatalítico no qual o ONPG catalisa a formação de um catalisador que, por sua vez, catalisa a formação de ONPG. Tal ciclo autocatalítico só pode operar alternando entre condições de alta e baixa atividade da água, como em poças de maré que alternam entre ambientes úmidos e secos. As implicações da formação de peptídeos cataliticamente ativos dependente do substrato para processos prebióticos são discutidas.

3

Ácidos nucleicos flexíveis (FNAs) como moléculas informacionais

Chemama M, Switzer C. Flexible Nucleic Acids (FNAs) as Informational Molecules: Enzymatic Polymerization of fNTPs on DNA Templates and Nonenzymatic Oligomerization of RNA on FNA Templates. Methods Mol Biol. 2019;1973:213-236. doi: 10.1007/978-1-4939-9216-4_14. PMID: 31016705.

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31016705/ 

Resumo

Este artigo descreve a metodologia que permite a transferência de informação enzimática e não enzimática com FNAs. Essa metodologia inclui a síntese química de fNTPs e fosforamiditos de fN, além de protocolos para a transferência de informação enzimática e não enzimática.

4

Uma análise de um possível pré-RNA

Heuberger, B. D., & Switzer, C. (2008). A pre-RNA candidate revisited: Both enantiomers of flexible nucleoside triphosphates are DNA polymerase substrates. Journal of the American Chemical Society, 130(2), 448–449. https://doi.org/10.1021/ja078021a

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ja0770680 

Resumo

Uma das primeiras propostas para o pré-RNA é a estrutura do ácido nucleico flexível (FNA), baseada no acetal aminal misto do formilglicerol. O FNA alcança uma simplificação estereoquímica drástica pela deleção formal do grupo 2'-CHOH do RNA, substituindo assim os quatro estereocentros do RNA por um único (pro)estereocentro. Apesar da incapacidade documentada do FNA de formar duplexes estáveis ​​com o DNA, os nucleosídeos trifosfatados flexíveis (fNTPs) são substratos para as DNA polimerases. De acordo com previsões anteriores, a quiralidade do FNA é irrelevante, uma vez que as polimerases aceitam ambos os antípodas (S)- e (R)-fNTP. Esses resultados fornecem uma base renovada para postular o FNA como uma molécula informacional viável.

5

Um ácido nucleico glicólico simples

Zhang, L., Peritz, A., & Meggers, E. (2005). A simple glycol nucleic acid. Journal of the American Chemical Society, 127(12), 4174–4175. https://doi.org/10.1021/ja042562q 

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ja042564z 

Resumo

Um ácido nucleico glicólico (GNA) com uma cadeia principal de fosfodiéster de propilenoglicol acíclico forma duplexes antiparalelos estáveis ​​seguindo as regras de pareamento de bases de Watson-Crick.