Onde e como a vida apareceu pela primeira vez 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 relatou novas descobertas na Science Advances que analisam a rede de reações químicas utilizadas pelas primeiras células para produzir os blocos de construção da vida, bem como as fontes de energia que alimentam essas reações. Ao rastrear a origem das enzimas até à primeira divisão entre bactérias e arquéias, os investigadores encontraram evidências de que as células de vida livre podem ter-se originado duas vezes de forma independente.
Há cerca de 4 mil milhões de anos, a Terra parecia muito diferente do planeta que conhecemos hoje. Se fosse possível observar a formação das primeiras células, o cenário poderia ter incluído duas formas distintas de vida celular inicial.
“Vemos dois tipos muito diferentes de células emergindo, bactérias pioneiras e arquéias pioneiras, fazendo as suas primeiras tentativas de viver fora dos limites de uma fonte hidrotermal”, diz Natalia Merenjwak, bióloga da Universidade de Düsseldorf e autora principal do novo artigo. Avanço da ciência.
Mrnjavac e uma equipe internacional examinaram genomas, estruturas proteicas e reações químicas para examinar alguns dos primeiros estágios da evolução microbiana, incluindo o período anterior às células totalmente livres.
“Essas comparações nos dão uma visão sem precedentes sobre o estágio da evolução em que o metabolismo catalisado por enzimas surgiu a partir de reações espontâneas catalisadas por metais na crosta terrestre”, diz William Martin, biólogo de Düsseldorf e autor sênior do estudo.
Reconstruindo a química inicial da vida
Em vez de se concentrarem em partes selecionadas do metabolismo inicial, os investigadores examinaram todo o grupo de reações químicas que as células utilizam para produzir componentes biológicos essenciais (aminoácidos, bases de ARN e vitaminas) a partir de materiais encontrados na Terra primitiva, incluindo gás hidrogénio, amoníaco e CO2.
Juntas, essas 420 reações químicas formam a rede metabólica conhecida como metabolismo. As reações em si são muito antigas e são preservadas ao longo da vida num grau comparável ao código genético.
O que surpreendeu os pesquisadores foi que as enzimas responsáveis por essas reações não apresentaram o mesmo grau de conservação entre bactérias e arqueas.
Martin: “A surpresa é que 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, possui enzimas para apenas metade das reações metabólicas. A outra metade é catalisada por metais no ambiente onde o LUCA surge. “
Esta descoberta sugere que o metabolismo inicial era muito mais dependente do ambiente do que o metabolismo celular moderno.
“Os metais que ocorrem naturalmente nas fontes hidrotermais podem substituir um número surpreendente de enzimas no metabolismo”, diz o químico mineral Aaron Twizoz, da universidade. Instituto Max Planck de Pesquisa de Carvão e IMDEA Materials Institute em Madrid e um dos autores deste estudo.
“Quanto mais de perto olhamos, mais claramente podemos ver que a evolução bioquímica inicial foi uma combinação 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 avanços importantes deste estudo foi a reconstrução de quatro etapas na evolução inicial da catálise biológica.
Este processo parece ser iniciado por reações completamente impulsionadas por metais. Isto foi seguido por uma fase no LUCA onde metais e enzimas trabalharam juntos. Depois disso, bactérias e arqueas seguiram caminhos evolutivos separados. Em cada linhagem, as enzimas recentemente desenvolvidas substituíram gradualmente os catalisadores inorgânicos fornecidos pelo ambiente em que o metabolismo se desenvolveu inicialmente.
Mais importante ainda, os investigadores identificaram exemplos em que bactérias e archaea parecem ter desenvolvido independentemente diferentes enzimas capazes de realizar as mesmas tarefas metabólicas essenciais.
“Podemos ver casos em que os ancestrais das bactérias e arqueas desenvolveram independentemente enzimas estruturalmente distintas para catalisar a mesma reação metabólica essencial. Tais invenções paralelas poderiam ter aberto o caminho para o surgimento independente de bactérias arcaicas e de vida livre”, diz Mrnjavac.
Esta evolução paralela pode ter sido importante porque poderia ter permitido que os dois princípios se tornassem menos dependentes da química da válvula hidrotérmica e eventualmente sobrevivessem como células independentes.
Como o metabolismo precoce pode ter sido melhorado
Outra questão principal está relacionada à energia. As células modernas dependem fortemente do ATP para alimentar o seu metabolismo, mas o próprio ATP é uma molécula complexa produzida com a ajuda de enzimas. Simplesmente não estava disponível gratuitamente em ambientes hidrotermais antigos.
Assim, os pesquisadores analisaram o que poderia ter fornecido energia antes do metabolismo baseado em ATP.
“Identificamos uma nova fonte de energia de origem metabólica”, diz Manon Schlikker, da equipe de Dusseldorf.
Uma resposta possível envolve o paládio, um metal que ocorre naturalmente nas fontes hidrotermais e é conhecido pelos químicos há quase um século como um catalisador eficaz.
A equipe descobriu que o fosfito, uma forma de fósforo encontrada naturalmente nas fontes hidrotermais, pode reagir com compostos orgânicos na presença de paládio, criando reações associadas à fosforilação metabólica.
“Quando reagimos o fosfito, uma forma de fósforo que ocorre naturalmente nas fontes hidrotermais, com compostos orgânicos, obtemos reações metabólicas de fosforilação na água durante a noite. O fosfito e o paládio substituem o ATP e as enzimas; é incrível e torna a compreensão da evolução inicial muito mais fácil, “diz Schlicker.
O resultado é uma possível explicação de como algumas das primeiras reações metabólicas poderiam obter a energia necessária para continuar antes da evolução dos modernos sistemas de energia biológica.
Mapeando 420 reações na origem do metabolismo
Esta pesquisa é a primeira a focar especificamente na rede completa de reações chamada metabolismo.
Esta rede contém 420 reações altamente conectadas, e muitos dos mesmos compostos participam de múltiplas partes do sistema. Devido a estas conexões, reconstruir como a rede pode ter se desenvolvido ao longo do tempo é um problema matemático difícil.
O professor Mike Steele, da Universidade de Canterbury, na Nova Zelândia, e o professor Daniel Husson, da Universidade de Tübingen, trouxeram para o projeto experiência na análise de redes complexas.
Eles desenvolveram um método que permitiu aos pesquisadores ordenar as reações metabólicas das mais simples às mais complexas. A sequência resultante pode refletir, pelo menos em parte, a ordem em que as reações apareceram nos primeiros estágios da evolução biológica.
“A primeira questão é se existe uma ordem única para estas reações”, diz Steele. Assim que pudéssemos provar que essas reações existiam, o algoritmo para ordená-las poderia ser processado.
Um código genético, mas duas origens da vida
Compreender como a vida começou responde a uma das questões mais fundamentais da humanidade: de onde viemos, onde surgiram os primeiros sistemas vivos e como sobreviveram as primeiras células da Terra?
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 individual parece ter alcançado um estado de vida livre.
Martin: “Os novos dados deixam apenas uma conclusão. As linhagens bacterianas e arqueais evoluíram independentemente para um estado de vida livre. Apenas as células de vida livre sobrevivem. 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 inclui cientistas das universidades de Canterbury (Nova Zelândia), Rostock, Constance, Ottawa (Canadá), Estrasburgo e Tübingen, do Instituto Max Planck de Microbiologia em Marburg e Instituto Max Planck de Pesquisa de Carvão em Mülheim/Ruhr e o Instituto de Materiais IMDEA em Madrid (Espanha).
Antecedentes: Bactérias e Archaea
Os biólogos geralmente dividem 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 são compostos de dois ramos principais da vida: bactérias e arquéias. Muitos destes organismos são capazes de sobreviver em condições extremas, incluindo temperaturas extremamente altas e ambientes fortemente 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.
