Decifrando as origens da vida usando pistas bioquímicas perdidas

O metabolismo é o “coração pulsante da célula”. Uma nova pesquisa do ELSI traça a história do metabolismo desde a Terra primitiva até a era moderna (da esquerda para a direita). O histórico de detecção de compostos ao longo do tempo (linha branca) é cíclico, quase semelhante a um ECG. Crédito da imagem: NASA Goddard Space Flight Center/Francis Ready/NASA/ESA

Um novo estudo mostra que apenas algumas reações bioquímicas “esquecidas” são necessárias para transformar compostos geoquímicos simples em moléculas complexas de vida.

A origem da vida na Terra sempre foi um mistério que escapou aos cientistas. A questão principal é: quanto da história da vida na Terra se perdeu ao longo do tempo? É muito comum uma pessoa Classificar Para “eliminar gradualmente” o uso de uma reação bioquímica, e se isso ocorresse em um número suficiente de espécies, tais reações poderiam efetivamente ser “esquecidas” pela vida na Terra. Mas se a história da bioquímica está repleta de reações esquecidas, há alguma maneira de descobrir?

Esta questão inspirou pesquisadores do Instituto de Ciências da Terra e da Vida (ELSI), do Instituto de Tecnologia de Tóquio e do Instituto de Tecnologia da Califórnia (CalTech), nos EUA. Eles acreditavam que a química esquecida apareceria como descontinuidades ou “quebras” no caminho que a química percorre desde moléculas geoquímicas simples até moléculas biológicas complexas.

Evolução da bioquímica primitiva da Terra

A Terra primitiva era rica em compostos simples, como sulfeto de hidrogênio, amônia e dióxido de carbono – moléculas normalmente não associadas à sustentação da vida. Mas há milhares de milhões de anos, o início da vida dependia destas moléculas simples como fonte de matéria-prima. À medida que a vida evoluiu, os processos bioquímicos transformaram gradualmente estes precursores em compostos que ainda existem hoje. Esses processos representam as vias metabólicas mais antigas.

Para construir um modelo da história evolutiva do metabolismo em escala da biosfera, a equipe de pesquisa compilou um banco de dados de 12.262 reações bioquímicas do banco de dados da Enciclopédia de Genes e Genomas de Kyoto (KEGG). Fonte: Goldford, JE, Nat Evol Evol (2024)

Metodologia de pesquisa no desenvolvimento da bioquímica

A fim de modelar a história da bioquímica, os pesquisadores do ELSI – especialmente nomeados Professor Associado Harrison B. Smith, e o Professor Associado especialmente nomeado Liam M. Longo e o professor associado Sean Erin McGlynn, em colaboração com o cientista pesquisador Joshua Goldford, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, criaram um inventário de bioquímica. Todas as reações bioquímicas conhecidas, para compreender os tipos de química de que a vida é capaz.

Eles recorreram ao banco de dados da Enciclopédia de Genes e Genomas de Kyoto, que catalogou mais de 12 mil reações bioquímicas. Com o feedback em mãos, eles começaram a modelar a evolução gradual do metabolismo.

Desafios na modelagem da evolução metabólica

Tentativas anteriores de modelar a evolução do metabolismo desta forma falharam consistentemente na produção das moléculas mais difundidas e complexas utilizadas pela vida moderna. No entanto, o motivo não ficou totalmente claro. Tal como antes, quando os investigadores executaram o seu modelo, descobriram que apenas um pequeno número de compostos poderia ser produzido.

Uma maneira de contornar esse problema é catalisar a química paralisada, fornecendo manualmente compostos novos. Os pesquisadores escolheram uma abordagem diferente: queriam determinar quantos havia Interações Ele estava desaparecido. Sua pesquisa os levou a uma das moléculas mais importantes da bioquímica: trifosfato de adenosina (ATP).

Gargalo de ATP e sua solução

O ATP é a moeda energética da célula porque pode ser usado para catalisar reações – como a construção de proteínas – que não ocorrem na água. No entanto, o ATP tem uma propriedade única: As reações que formam o ATP requerem ATP. Em outras palavras, a menos que o ATP já exista, não há outra maneira na vida hoje de produzir ATP. Esta dependência cíclica foi a razão pela qual o modelo parou.

Como esse “gargalo de ATP” pode ser resolvido? Acontece que a porção reativa do ATP é notavelmente semelhante a um composto inorgânico de polifosfato. Ao permitir que as reações geradoras de ATP utilizem polifosfatos em vez de ATP – modificando apenas oito reações no total – quase todos os processos metabólicos básicos modernos são possíveis. Os pesquisadores podem então estimar as idades relativas de todos os metabólitos comuns e fazer perguntas específicas sobre a história das vias metabólicas.

Vias metabólicas: linear versus mosaico

Uma dessas questões é se as vias biológicas foram construídas de forma linear – uma reação após a outra sendo adicionadas de maneira sequencial – ou se as interações das vias emergiram como um mosaico, onde interações de idades muito diferentes são unidas para formar a formação de vias biológicas. algo novo. Os investigadores conseguiram medir isto e descobriram que ambos os tipos de vias são quase igualmente comuns em todos os processos metabólicos.

Conclusão e implicações

Mas voltando à questão que inspirou o estudo – quanta bioquímica se perde ao longo do tempo? “Talvez nunca saibamos exactamente, mas a nossa investigação forneceu uma pista importante: são necessárias apenas oito novas reacções, todas reminiscentes de reacções bioquímicas comuns, para preencher a lacuna entre a geoquímica e a bioquímica”, diz Smith.

“Isso não prova que a área de bioquímica faltante seja pequena, mas mostra que mesmo as reações que foram extintas podem ser redescobertas por meio das pistas deixadas pela bioquímica moderna”, conclui Smith.

Referência: “Biossíntese de Purinas Primitivas Liga a Geoquímica Antiga ao Metabolismo Moderno” por Joshua E. Goldford, Harrison B. Smith, William M. Longo, Boswell A. Wing e Shun Erin McGlynn, 22 de março de 2024, Ecologia e evolução da natureza.
doi: 10.1038/s41559-024-02361-4