Química ‘impossível’ pode revelar as origens da vida na Terra

As experiências sugerem que o metabolismo pode ter começado espontaneamente no nosso planeta primordial – e que os cientistas podem ter de repensar a forma como definimos a vida.

As fumarolas ativas no fundo do mar, como esta chaminé com cerca de 30 metros de altura no Campo Hidrotermal da Cidade Perdida do Oceano Atlântico, produzem rapidamente moléculas orgânicas simples que podem ter sido fundamentais para o aparecimento de vida na Terra.

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Por Michael Marshall
Publicado 6/04/2022, 11:35

Markus Ralser nunca teve a intenção de estudar a origem da vida. A sua investigação concentrava-se principalmente na forma como as células se alimentam e como estes processos podem correr mal em organismos stressados ou doentes. Contudo, há cerca de uma década, por mero acaso, Markus Ralser e a sua equipa fizeram uma descoberta surpreendente.

Esta equipa, que na altura estava sediada na Universidade de Cambridge, estudava a glicólise, um processo que quebra o açúcar numa série de reações químicas, libertando energia que as células podem usar. Quando os investigadores usaram técnicas sensíveis para rastrear as diversas etapas deste processo, ficaram surpreendidos ao descobrir que algumas das reações pareciam estar a “ocorrer espontaneamente”, diz Markus Ralser, que agora trabalha no Instituto Francis Crick, em Londres. Nas experiências de controlo que careciam de algumas das moléculas necessárias para as reações, partes da glicólise continuaram a acontecer.

“Isto não pode ser verdade”, diz Markus Ralser, referindo-se ao que outros cientistas lhe disseram.

Acredita-se que os lagos ricos em carbonatos e fósforo, como o lago Mono na Califórnia, tenham sido comuns nos primórdios da Terra, talvez fornecendo um ambiente para a formação de vida.

Fotografia por Robert Harding Picture Library, Nat Geo Image Collection

Cada célula viva tem no seu núcleo uma espécie de motor químico. Isto aplica-se  tanto a um neurónio num cérebro humano como à bactéria mais simples. Estes motores químicos impulsionam o metabolismo, os processos que transformam uma fonte de energia, como alimentos, em partes úteis e fortalecem as células. Os processos metabólicos, incluindo a glicólise, exigem todos uma enorme quantidade de máquinas microscópicas sofisticadas para se manterem em funcionamento. Mas a equipa de Markus Ralser descobriu que um destes motores consegue funcionar por conta própria, sem várias das moléculas complexas que os cientistas acreditavam serem necessárias.

Desde que esta descoberta fortuita foi feita, uma onda de entusiasmo espalhou-se entre os investigadores que estudam as origens da vida. Afinal de contas, se isto podia acontecer num tubo de ensaio, talvez também pudesse ter acontecido há milhares de milhões de anos numa fumarola vulcânica no fundo do mar, ou em terra em lagos termais, ou noutro lugar com muita atividade química e material orgânico. As reações metabólicas até podem ter iniciado a cadeia de eventos que conduziu ao nascimento da vida.

Algumas equipas de cientistas estão agora a trabalhar para criar estes motores químicos do zero. Além da glicólise, os cientistas recriaram partes de outros processos celulares fundamentais, incluindo o ciclo reverso do ácido cítrico, ou o ciclo reverso de Krebs, que se acredita ter aparecido pela primeira vez em células muito antigas.

Esta nova e entusiasmante área de investigação tem feito os cientistas repensar os passos que podem ter levado ao primeiro organismo vivo, e obrigou-os mais uma vez a lidar com uma questão de longa data: como é que definimos a vida em primeiro lugar?

Origens enigmáticas

Perceber como é que a vida começou continua a ser um dos grandes mistérios da ciência. Sabemos que aconteceu no início da história do nosso planeta porque existem microrganismos fósseis em rochas depositadas há 3.5 mil milhões de anos, apenas mil milhões de anos depois da formação da Terra. Mas ainda não se sabe como e onde é que isto aconteceu.

Um dos desafios reside no facto de os organismos vivos serem extraordinariamente complexos. Mesmo a célula bacteriana mais simples tem centenas de genes e milhares de moléculas diferentes. Todos estes blocos de construção trabalham em uníssono numa dança intrincada, transportando alimentos para as células e eliminando resíduos, reparando danos, copiando genes e muito mais.

A escala desta complexidade é ilustrada por uma investigação publicada em 2021 que compara o ADN de 1.089 bactérias, que são os organismos vivos mais simples. Os investigadores neste estudo, liderados pela bioengenheira Joana C. Xavier, que naquela altura estava na Universidade Heinrich Heine em Düsseldorf, na Alemanha, procuraram famílias de proteínas que eram comuns em todas as espécies de bactérias, pois provavelmente eram as mais antigas – datando de há mais de três mil milhões de anos, até ao último antepassado comum de todas as bactérias. Os cientistas encontraram 146 famílias de proteínas, revelando que até as primeiras bactérias eram extraordinariamente complexas e produto de um longo período de evolução.

Todas as teorias sobre a origem da vida tentam desfazer esta complexidade e imaginar algo muito mais simples que pode ter surgido espontaneamente. A dificuldade é decidir como seria esta chamada proto-vida. Entre as partes das células vivas que vemos atualmente, quais foram as primeiras a formar-se?

Os conceitos apresentados têm sido vários, incluindo uma molécula que se consegue copiar, como uma fita de RNA, ou uma “bolha” gordurosa que pode ter atuado como a estrutura fundamental de uma célula. Mas um grupo cada vez maior de cientistas acredita que antes dos genes ou das paredes celulares, a primeira coisa que a vida precisava era de um motor.

O primeiro metabolismo

A vida é fundamentalmente ativa. Mesmo em organismos aparentemente estacionários como as árvores, existe uma atividade frenética à escala microscópica.

Joana Xavier, que agora trabalha na Universidade College de Londres, compara uma célula viva a um copo de água com um buraco no fundo e uma torneira a deitar água por cima. Se os dois fluxos forem equivalentes, o volume de água no copo permanece o mesmo , “mas há uma transformação a acontecer”.

Da mesma forma, todos os seres vivos absorvem nutrientes e os usam-nos para construir e reparar os seus corpos. Para os humanos, isto significa comer alimentos e usar os nossos sistemas digestivos para os decompor em químicos simples que os nossos corpos podem usar.

Outros organismos obtêm a sua energia da luz solar ou de químicos como o metano, mas aplica-se o mesmo princípio. Há milhares de reações que estão constantemente a transformar uma substância noutra e a transportar estes elementos para onde são necessários. Todos estes processos compõem o metabolismo de um organismo. Se o metabolismo parar, o organismo morre.

A química do metabolismo é tão central para a vida que muitos investigadores acreditam que esta deve ter estado no núcleo das primeiras células vivas. Assim que um motor metabólico estivesse em funcionamento, segundo a teoria, poderia criar os outros químicos de que a vida precisava e, gradualmente, as células criar-se-iam por conta própria, diz Joseph Moran, da Universidade de Estrasburgo, em França.

Porém, todas as hipóteses que colocam o metabolismo em primeiro lugar para a origem da vida enfrentam o mesmo problema – o metabolismo, tal como a própria vida, é incrivelmente complexo. No estudo de Joana Xavier sobre o último antepassado bacteriano comum, a bioengenheira estimou que os genes deste organismo antigo conseguiam produzir 243 químicos através de processos metabólicos, para além de transformarem químicos uns nos outros.

As próprias vias individuais no metabolismo são intrincadas, como por exemplo o ciclo do ácido cítrico, ou ciclo de Krebs, que é uma das formas pelas quais as células conseguem extrair energia dos nutrientes. Como o próprio nome sugere, a base começa com ácido cítrico, o químico que dá aos frutos citrinos o seu sabor acentuado. Isto é convertido numa segunda substância chamada cis-aconitato e, de seguida, em mais sete químicos antes da última etapa recriar o ácido cítrico. Ao longo do caminho, uma série de químicos biológicos são produzidos e distribuídos para o resto das células.

É difícil conceber como é que um processo tão complexo pode ter começado por conta própria. Para complicar ainda mais as coisas, cada etapa é controlada por uma molécula chamada enzima, que acelera as reações químicas em questão. Para um processo como o ciclo de Krebs funcionar, são necessárias enzimas. Mas as enzimas são moléculas complicadas que só podem ser produzidas através do metabolismo, sob o controlo de genes.

Portanto, os cientistas enfrentam o dilema bioquímico do ovo ou da galinha: qual é que surgiu primeiro, o motor químico para construir a célula, ou os mecanismos celulares necessários para construir o motor?

Ativar os motores da vida

Depois de Markus Ralser e a sua equipa terem feito a descoberta inicial no início de 2010, a equipa decidiu investigar mais a fundo as reações metabólicas que poderiam ocorrer por conta própria. Os investigadores dissolveram 12 químicos diferentes que são usados na glicólise, cada um por conta própria, em água pura. Depois, aqueceram as amostras a 70°C durante cinco horas, replicando as condições de vida perto de um vulcão submarino. Nestas experiências começaram a ocorrer dezassete reações químicas, quer seja da glicólise ou de uma via metabólica relacionada.

Markus Ralser entrou depois em contacto com Alexandra Turchyn, geoquímica da Universidade de Cambridge, que lhe deu uma lista dos químicos que se acredita terem sido dissolvidos no oceano da antiguidade, incluindo metais como ferro e sódio. A equipa adicionou estes elementos às suas misturas para ver se faziam as reações funcionar melhor.

“Conseguimos uma reação, que foi ao ferro”, diz Markus Ralser. Em 2014, os cientistas já tinham observado 28 reações funcionais, incluindo um ciclo metabólico completo. A equipa baseou-se nos seus resultados iniciais, depois de mostrar num estudo feito em 2017 que conseguia criar uma versão do ciclo do ácido cítrico impulsionada por sulfato e produzir açúcares a partir de químicos mais simples num processo chamado gliconeogénese – embora este último tivesse de ser feito em gelo.

A ideia de ciclos metabólicos sem enzimas foi depois retomada por Joseph Moran na Universidade de Estrasburgo, em colaboração com a sua ex-aluna Kamila Muchowska. Ambos fizeram avanços semelhantes com outros processos metabólicos, como a via do acetil-CoA, que converte o dióxido de carbono em acetil-CoA – um dos químicos mais importantes no metabolismo.

Contudo, entre os diversos mecanismos da vida, os cientistas regressaram repetidamente ao ciclo reverso do ácido cítrico. Este processo, que é essencialmente o ciclo do ácido cítrico, é usado por algumas bactérias para fazer compostos complexos de carbono a partir de dióxido de carbono e água. E existem evidências de que é um processo extremamente antigo.

Tal como fez Markus Ralser, também Joseph Moran e Kamila Muchowska usaram metais como ferro para impulsionar reações químicas em laboratório. Em 2017, conseguiram desencadear seis das 11 reações no ciclo reverso do ácido cítrico e, dois anos depois, encontraram reações adicionais.

“Nunca conseguimos produzir o ciclo completo”, diz Joseph Moran. Mas os investigadores estão cada vez mais perto.

Não é bem biologia

Apesar de todo o entusiasmo, os cientistas estão divididos sobre se os ciclos celulares completos podem realmente acontecer sem enzimas para facilitar o processo. Para Ramanarayanan Krishnamurthy, do Instituto Scripps Research em La Jolla, na Califórnia, não é convincente reproduzir apenas partes de um ciclo.

“É como partir um jarro de vidro aos pedaços e dizer que estes pedaços vieram do jarro, e que assim podemos reconstruir o jarro.”

Ramanarayanan Krishnamurthy e os seus colegas estão a tentar uma abordagem diferente. “Estamos a distanciar-nos da biologia, porque o que acontece nas células atualmente é um guia defeituoso para o que aconteceu há milhares de milhões de anos. Vou deixar que a química nos guie”, diz Ramanarayanan.

Em 2018, a equipa de Ramanarayanan Krishnamurthy demonstrou um novo motor metabólico que consiste em dois ciclos e funciona sem enzimas. “Nós ignorámos algumas das moléculas mais instáveis e algumas das etapas mais difíceis que a biologia consegue fazer de forma maravilhosa devido a enzimas evoluídas e altamente sofisticadas”, diz Ramanarayanan, sugerindo que o processo resultante pode ter sido um antigo precursor do ciclo reverso de Krebs.

Mais recentemente, esta equipa testou a adição de cianeto, que se acredita ter sido abundante na Terra primordial. As investigações feitas anteriormente já tinham mostrado que o cianeto consegue produzir muitos dos químicos da vida porque é muito reativo – mas não se sabe se o cianeto desempenhou realmente um papel na origem da vida porque é venenoso para os organismos reais. No entanto, a equipa de Ramanarayanan Krishnamurthy mostrou que o cianeto pode desencadear motores metabólicos que se assemelham a algumas das funções da vida.

Joseph Moran está cético em relação a esta abordagem porque estes chamados motores alternativos não produzem alguns dos principais químicos da vida. “Não compreendo porque é que querem fazer isso”, diz Joseph.

Resta saber se as versões completas de todos os ciclos metabólicos da atualidade conseguem funcionar sem enzimas, ou se a primeira forma de vida teve de se contentar com versões alternativas e simplificadas como as produzidas por Ramanarayanan Krishnamurthy.

Um motor vivo?

A capacidade de imitar os processos da vida em formas simplificadas deu origem a uma questão profunda: em que ponto é que chamaríamos “vida” a estes sistemas químicos? Se um motor metabólico estiver a zumbir num frasco de vidro, será que está vivo?

A maioria dos cientistas diria que não. Para algo estar vivo, “precisamos de ter um sistema complexo o suficiente que consiga metabolizar e replicar”, diz Markus Ralser. Um mecanismo metabólico por si só não está a fazer isso, mas é um passo na direção de que algo o consegue fazer.

“Ainda ninguém definiu realmente o que é vida”, diz Ramanarayanan Krishnamurthy, e há muitos casos extremos. Por exemplo, muitas das definições de vida especificam que um organismo deve conseguir reproduzir-se e que os animais sexuais individuais não se conseguem reproduzir sem um parceiro – portanto, a julgar por estas definições restritas, um coelho solitário não está vivo.

“Tudo o que existe entre o que está vivo e não vivo é um gradiente”, diz Kamila Muchowska. Os motores metabólicos não são completamente inanimados como as rochas, nem vivem com a plenitude de uma bactéria.

A vida, de certa forma, é uma espécie de acidente químico — uma dança rodopiante que ainda não parou em mais de três mil milhões e meio de anos. Não importa a forma como a definamos, esta dança continua, aperfeiçoando lentamente a maquinaria biológica que compõe as mais belas e mais maravilhosas formas de vida na Terra.
 

Este artigo foi publicado originalmente em inglês no site nationalgeographic.com

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