Vida a partir de uma gota de chuva: Nova pesquisa sugere que a água da chuva ajudou a formar as primeiras paredes protocelulares

Um novo artigo de engenheiros da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago (UChicago PME), do Departamento de Engenharia Química da Universidade de Houston e biólogos do Departamento de Química da UChicago propôs uma solução.

No artigo, publicado hoje em Avanços da CiênciaO pesquisador de pós-doutorado da PME da UChicago, Aman Agrawal, e seus coautores — incluindo o reitor emérito da PME da UChicago, Matthew Tirrell, e o biólogo ganhador do prêmio Nobel Jack Szostak — mostram como a água da chuva pode ter ajudado a criar uma parede reticular ao redor das protocélulas há 3,8 bilhões de anos, um passo crítico na transição de pequenas esferas de RNA para todas as bactérias, plantas, animais e humanos que já viveram.

“Esta é uma observação distinta e nova”, disse Tirrell.

A pesquisa analisa “gotículas coacervadas” — compartimentos naturais de moléculas complexas como proteínas, lipídios e RNA. As gotículas, que se comportam como gotas de óleo de cozinha na água, há muito tempo são vistas como candidatas para as primeiras protocélulas. Mas havia um problema. Não era que essas gotículas não pudessem trocar moléculas entre si, um passo fundamental na evolução, o problema era que elas faziam isso muito bem e muito rápido.

Qualquer gotícula contendo uma nova mutação pré-vida potencialmente útil de RNA trocaria esse RNA com as outras gotículas de RNA em minutos, o que significa que elas rapidamente seriam todas iguais. Não haveria diferenciação nem competição — o que significa que não haveria evolução.

E isso significa nenhuma vida.

“Se as moléculas forem trocadas continuamente entre gotículas ou entre células, todas as células depois de um curto período ficarão parecidas, e não haverá evolução porque você acabará com clones idênticos”, disse Agrawal.

Projetando uma solução

A vida é interdisciplinar por natureza, então Szostak, diretor do Centro de Origens da Vida da UChicago em Chicago, disse que era natural colaborar tanto com a UChicago PME, a escola interdisciplinar de engenharia molecular da UChicago, quanto com o departamento de engenharia química da Universidade de Houston.

“Engenheiros têm estudado a química física desses tipos de complexos — e a química de polímeros de forma mais geral — por um longo tempo. Faz sentido que haja expertise na escola de engenharia”, disse Szostak. “Quando estamos olhando para algo como a origem da vida, é tão complicado e há tantas partes que precisamos que pessoas se envolvam que tenham qualquer tipo de experiência relevante.”

No início dos anos 2000, Szostak começou a olhar para o RNA como o primeiro material biológico a ser desenvolvido. Ele resolveu um problema que há muito tempo impedia os pesquisadores de olhar para o DNA ou proteínas como as primeiras moléculas da vida.

“É como um problema do ovo e da galinha. O que veio primeiro?”, disse Agrawal. “O DNA é a molécula que codifica informação, mas não pode fazer nenhuma função. As proteínas são as moléculas que desempenham funções, mas não codificam nenhuma informação hereditária.”

Pesquisadores como Szostak teorizaram que o RNA veio primeiro, “cuidando de tudo”, nas palavras de Agrawal, com proteínas e DNA evoluindo lentamente a partir dele.

“O RNA é uma molécula que, assim como o DNA, pode codificar informações, mas também se dobra como proteínas para poder desempenhar funções como a catálise”, disse Agrawal.

O RNA era um provável candidato para o primeiro material biológico. Gotículas coacervadas eram prováveis ​​candidatas para as primeiras protocélulas. Gotículas coacervadas contendo formas iniciais de RNA pareciam um próximo passo natural.

Isso ocorreu até Szostak jogar água fria nessa teoria, publicando um artigo em 2014 mostrando que o RNA em gotículas coacervadas era trocado muito rapidamente.

“Você pode fazer todos os tipos de gotículas de diferentes tipos de coacervados, mas eles não mantêm sua identidade separada. Eles tendem a trocar seu conteúdo de RNA muito rapidamente. Esse é um problema antigo”, disse Szostak. “O que mostramos neste novo artigo é que você pode superar pelo menos parte desse problema transferindo essas gotículas de coacervado para água destilada — por exemplo, água da chuva ou água doce de qualquer tipo — e elas ganham uma espécie de pele dura ao redor das gotículas que as restringe de trocar conteúdo de RNA.”

‘Uma combustão espontânea de ideias’

Agrawal começou a transferir gotículas de coacervato para água destilada durante sua pesquisa de doutorado na Universidade de Houston, estudando seu comportamento sob um campo elétrico. Nesse ponto, a pesquisa não tinha nada a ver com a origem da vida, apenas estudando o fascinante material de uma perspectiva de engenharia.

“Engenheiros, particularmente Químicos e de Materiais, têm bom conhecimento de como manipular propriedades de materiais, como tensão interfacial, papel de polímeros carregados, sal, controle de pH, etc.”, disse o Prof. Alamgir Karim da Universidade de Houston, antigo orientador de tese de Agrawal e coautor sênior do novo artigo. “Esses são todos aspectos-chave do mundo popularmente conhecido como ‘fluidos complexos’ — pense em xampu e sabonete líquido.”

Agrawal queria estudar outras propriedades fundamentais dos coacervados durante seu PhD. Não era a área de estudo de Karim, mas Karim havia trabalhado décadas antes na Universidade de Minnesota sob um dos maiores especialistas do mundo — Tirrell, que mais tarde se tornou reitor fundador da UChicago Pritzker School of Molecular Engineering.

Durante um almoço com Agrawal e Karim, Tirrell levantou como a pesquisa sobre os efeitos da água destilada em gotículas de coacervado pode se relacionar com a origem da vida na Terra. Tirrell perguntou onde a água destilada teria existido há 3,8 bilhões de anos.

“Eu espontaneamente disse ‘água da chuva!’ Seus olhos brilharam e ele ficou muito animado com a sugestão”, disse Karim. “Então, você pode dizer que foi uma combustão espontânea de ideias ou ideação!”

Tirrell levou a pesquisa de água destilada de Agrawal para Szostak, que havia se junt