Cientistas descobriram uma saga de bilhões de anos escrita na química da vida

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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

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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

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 que uma única espécie “elimine gradualmente” o uso de uma reação bioquímica e, se isso acontecer em um número suficiente de espécies, essas reações podem ser efetivamente “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 Earth Life Sciences Institute (ELSI) do Tokyo Institute of Technology e do California Institute of Technology (CalTech), nos Estados Unidos. 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.

A Terra primitiva era rica em compostos simples, como sulfeto de hidrogênio, amônia e dióxido de carbono, moléculas geralmente 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.

A fim de modelar a história da bioquímica, os pesquisadores do ELSI – Professor Associado especialmente nomeado Harrison P. Smith, Professor Associado especialmente nomeado Liam Longo e Professor Associado Sean Erin McGlynn, em colaboração com o cientista pesquisador Joshua Goldford do Instituto de Tecnologia da Califórnia – precisavam 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.

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. A pesquisa é Publicados Na revista Ecologia e evolução da natureza.


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)

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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)

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

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 próprias 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 polifosfato em vez de ATP – modificando apenas oito reações no total – quase todo o metabolismo básico contemporâneo pode ser alcançado. Os pesquisadores podem então estimar as idades relativas de todos os metabólitos comuns e fazer perguntas específicas sobre a história das vias metabólicas.

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

Mas voltando à questão que inspirou este 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.

Mais Informações:
Josué E. Goldford et al., a biossíntese de purinas primordiais liga a geoquímica antiga ao metabolismo moderno, Ecologia e evolução da natureza (2024). doi: 10.1038/s41559-024-02361-4

Informações da revista:
Ecologia e evolução da natureza


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