Notas biopoéticas 50

Do PNA até o DNA, uma dinastia molecular 

A transição da química primordial para a vida como a conhecemos é uma das jornadas mais fascinantes da ciência. Antes que a dupla hélice do DNA assumisse o controle do armazenamento genético e o RNA se tornasse o grande intermediário celular, a Terra primitiva era um caldeirão de experimentos químicos. Nesse cenário inóspito, a vida não surgiu pronta; ela evoluiu a partir de polímeros genéticos precursores mais simples, como o PNA, o p-RNA e o TNA, que se formavam com muito mais facilidade nas condições brutas do planeta jovem, estabelecendo a base química para o surgimento do mundo do RNA.

Antes de chegarmos à arquitetura dos ácidos nucleicos modernos, a evolução molecular testou diferentes esqueletos estruturais:

• PNA (Ácido Nucleico Peptídico): Uma molécula híbrida fascinante que troca o tradicional esqueleto de açúcar e fosfato por uma estrutura semelhante à dos peptídeos (proteínas). Por ser surpreendentemente robusta, ela consegue se ligar com grande afinidade tanto ao DNA quanto ao RNA.

• p-RNA (RNA Piranosil): Em vez do açúcar ribose de cinco carbonos presente no RNA convencional, o p-RNA utiliza um anel de piranose com seis carbonos. Essa alteração estrutural permite que ele forme hélices de fita dupla extremamente estáveis.

• TNA (Ácido Nucleico de Treose): Construído sobre uma base ainda mais enxuta de treose — um açúcar de apenas quatro carbonos. Seu tamanho reduzido torna sua síntese espontânea muito mais provável em simulações de laboratório que reencenam a Terra pré-biótica.

A transição até os sistemas genéticos modernos ocorreu como uma reação em cadeia. Na Terra primitiva, a ausência de maquinário enzimático complexo tornava a montagem espontânea dos nucleotídeos modernos uma tarefa quase impossível. Foram esses polímeros primitivos e simplificados que primeiro assumiram o papel de armazenar e replicar as informações genéticas mais rudimentares. Conforme essas moléculas interagiam, a seleção natural no nível molecular entrou em ação: o RNA e o DNA gradualmente se destacaram e assumiram o protagonismo porque se mostraram infinitamente mais eficientes e estáveis para sustentar as complexas tarefas biológicas de longo prazo.

Leituras recomendadas

A partir do artigo:

“DNA is the building block for life on Earth. But it is a highly complex molecule, and could not have arranged itself spontaneously. What did it develop from? Astrobiologists examine possible ancestors of DNA: nucleic acids called PNA, p-RNA, and TNA.”

https://astrobiology.nasa.gov/articles/2001/3/12/tna-world/ ( Link morto )

TNA World
https://astrobiology.nasa.gov/news/tna-world/ 

Ray A, Nordén B. Peptide nucleic acid (PNA): its medical and biotechnical applications and promise for the future. FASEB J. 2000 Jun;14(9):1041-60. doi: 10.1096/fasebj.14.9.1041. PMID: 10834926. 

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10834926/ 

The Pre-RNA World
https://bc401.bmb.colostate.edu/3/ext/pre-RNA-world.php

“Albert Eschenmoser foi o primeiro a pensar de forma inovadora e abordar o problema buscando alternativas prebioticamente plausíveis para a estrutura de suporte (backbone) de ribofuranose-fosfato. Visto que a transferência de informação genética não depende da estrutura de suporte de ribose-fosfato, é lógico propor que um sistema de replicação mais simples tenha surgido antes da molécula de RNA. Na década de 1990, o grupo de Eschenmoser propôs-se a explorar sistematicamente as propriedades de polímeros nos quais a estrutura de suporte de ribofuranose-fosfato do RNA (com ligação 5',3') era substituída por outra estrutura de suporte de açúcar-fosfato. Nos primeiros experimentos, o grupo de Eschenmoser explorou as propriedades do piranose-RNA (p-RNA), no qual a ribofuranose é substituída pela ribopiranose. O p-RNA forma hélices duplas mais estáveis, com pareamentos do tipo Watson-Crick, do que o RNA com ribofuranose. Portanto, o p-RNA poderia ser um bom candidato a precursor de sistemas genéticos.

Recentemente, o grupo de Eschenmoser sintetizou polímeros nos quais o grupo ribose foi substituído pela 2',3'-didesoxiglicose, cuja síntese prebiótica parece ser mais fácil. A única diferença química entre o DNA e o homo-DNA é a inserção de um grupo CH2 no anel de açúcar; todo o restante permanece inalterado. Ambos os sistemas modelo de piranose — o p-RNA e o homo-DNA — formam hélices duplas estáveis ​​com pareamento de bases. Uma compreensão completa das propriedades da família de ácidos nucleicos de piranose só foi possível após a publicação da estrutura cristalina do homo-DNA em 2006 (código PDB 2H9S).”

Julia Karow. A Precursor of RNA? November 20, 2000

https://www.scientificamerican.com/article/a-precursor-of-rna/

“Os pesquisadores sintetizaram quimicamente o TNA em várias etapas e descobriram que moléculas de TNA complementares se pareiam formando duplas-hélices do tipo Watson-Crick. Além disso, elas formam duplas-hélices com RNAs e DNAs complementares. Essa capacidade é importante porque demonstra que o TNA poderia servir como molde para sua própria reprodução (replicação). Os cientistas geralmente presumem que a vida surgiu em um "mundo de RNA". No entanto, como açúcares de quatro carbonos, a exemplo da treose, podem ser produzidos a partir de duas unidades idênticas de dois carbonos, é possível que o TNA — ou polímeros relacionados — tenha surgido com maior facilidade. Assim, o TNA e seus compostos correlatos poderiam ter sido os precursores do RNA na Terra primitiva.”