O problema não resolvido do ovo ou da galinha da biologia: de onde veio a vida?

No começo, os genes não eram necessários.
  um close-up de uma galinha perto de uma pilha de ovos.
Crédito: Vincent Romero, Raiyan Zakaria / Unsplash, John Towner / Unsplash
Principais conclusões
  • Muitos cientistas que estudam a origem da vida acreditam que o RNA veio primeiro porque algumas dessas moléculas podem fazer dupla função e agir como proteínas.
  • A hipótese da 'proteína primeiro' responde a dois mistérios ao mesmo tempo: (1) como a biologia surgiu da química pré-biótica e (2) como a evolução darwiniana começou.
  • Em vez de genes usarem proteínas para fazer novos genes, acreditamos que as proteínas usam genes para fazer novas proteínas.
Ken Dill Compartilhe o problema não resolvido do ovo ou da galinha da biologia: de onde veio a vida? no Facebook Compartilhe o problema não resolvido do ovo ou da galinha da biologia: de onde veio a vida? no Twitter Compartilhe o problema não resolvido do ovo ou da galinha da biologia: de onde veio a vida? no LinkedIn Em parceria com a Fundação John Templeton

A biologia tem um problema do ovo ou da galinha. Dois tipos de moléculas são essenciais para a vida. As células contêm moléculas de proteína, que executam a maioria das funções bioquímicas e físicas. As células também contêm DNA e moléculas de RNA, que carregam as informações do projeto para fazer mais células. Quando a vida surgiu na Terra há 3,5 bilhões de anos, o que veio primeiro: função ou informação? É um grande problema não resolvido de como a biologia surgiu da química pré-biótica.



Algumas pessoas pensam que a vida começou – chame-a de “Dia Um” – do RNA, porque algumas moléculas de RNA podem ter dupla função e agir como proteínas. Mas acreditamos que as proteínas vieram primeiro. A perspectiva das proteínas primeiro ajuda a resolver outro grande mistério: de onde veio a evolução darwiniana? Queremos saber não apenas que forma de matéria surgiu no primeiro dia, mas também por que essa matéria persistiria, se adaptaria e avançaria para o segundo, terceiro dia e além.

A evolução darwiniana é o impulso implacável da biologia em todo o planeta para se adaptar, inovar e mudar. Através sobrevivência do mais forte, os organismos competem para ganhar recursos, gerar outros organismos e se adaptar a seus ambientes. Desde Charles Darwin, 160 anos atrás, sabemos muito sobre como a evolução funciona, mas não temos ideia de como ela começou. A evolução deve ter tido um começo . Não é uma lei universal, como os princípios da física ou da química, que operam desde o início do Universo. Até onde sabemos, a evolução só ocorreu desde que a biologia surgiu há cerca de 3,5 bilhões de anos, um bilhão de anos após a formação da Terra.



Por que as proteínas vieram primeiro

Por que as proteínas viriam primeiro? As proteínas são a maior parte da massa de uma célula, então as taxas diferenciais de crescimento que são o combustível para o moinho da evolução celular são em grande parte uma questão de produção diferencial de proteínas. E as proteínas são as moléculas criadoras que catalisar essas reações de crescimento. É importante ressaltar que as proteínas são únicas por terem sequência –> estrutura –> função relacionamentos. A maioria dos outros polímeros, incluindo a maioria dos RNAs, não.

As proteínas formam estruturas dobradas específicas, que são as bases para as funções moleculares que criam as ações e comportamentos da célula. Pense nos 20 aminoácidos de uma proteína como divididos em aproximadamente duas classes: monômeros hidrofóbicos semelhantes a óleo e monômeros polares semelhantes a água. Proteínas dobrar ; ou seja, as cadeias de proteína se enrolam na água em formas compactas específicas por causa da física básica de que o óleo evita a água - ou seja, os aminoácidos oleosos se dobram para ficar dentro da bola, longe da água circundante fora da proteína. Isso torna as proteínas grandes catalisadores. Proteínas dobradas são sólidos em miniatura. Ser um sólido é exatamente o que é necessário para catalisar reações químicas, porque os átomos do catalisador precisam manter seus lugares por tempo suficiente para auxiliar na reação. Além disso, um alfabeto de 20 aminoácidos abrange uma gama de químicas, então eles catalisam uma série de reações.

Mas como a produção de proteínas começou? Primeiro, sabemos por experimentos que os blocos de construção de aminoácidos de proteínas plausivelmente poderiam ter existido na Terra primitiva. Também sabemos que havia catalisadores simples que poderiam inicialmente ligar aminoácidos em peptídeos - minerais e argilas ou superfícies de ar-água serviriam. Proteínas curtas, chamadas peptídeos, são encontradas até mesmo em alguns meteoritos.



Então, vamos chamar o primeiro catalisador de “Rocha Fundadora” – “rocha” simplesmente implicando um local fixo no espaço, e “fundação” implicando que foi o primeiro catalisador, antes que as próprias proteínas fossem catalisadores, flutuando livremente e capturáveis ​​dentro das células. No entanto, as proteínas feitas na Rocha Fundadora teriam sido muito curtas e não possuíam nem funções, nem princípios de propagação, nem sequências informativas específicas. Como essas propriedades biologicamente podem surgir de peptídeos simples? Emergência é quando uma pequena mudança em algum parâmetro transforma um comportamento simples em um mais complexo.

O surgimento do foldcat

Nossa modelagem de computador conta uma história plausível: alguns desses pequenos peptídeos aleatórios se acumulam na água devido às forças óleo-água, criando superfícies dobradas estáveis, tornando-se catalisadores primitivos e ajudando a alongar outras cadeias. “Foldcats” são como chamamos essas correntes. Essas sequências serão raras, extremamente raras. Mas, como é verdade em muitos assuntos da física estatística, a questão é não quão improvável os estados são, mas sim como cooperativo eles são. Como uma ação molecular pode intensificar a próxima, como uma bola de neve crescendo enquanto desce uma colina? Não importa qual foi o primeiro floco de neve. Importa apenas qual é o processo de se tornar uma bola de neve. A hipótese do foldcat explica a cooperatividade em bola de neve e o ponto de inflexão – passando da química para a biologia e das moléculas se desintegrando para seu crescimento persistente.

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Como tudo isso pode funcionar? As poucas cadeias longas que são feitas na Rocha Fundadora catalisam a formação de cadeias ainda mais longas, produzindo catalisadores adicionais estáveis ​​e diversificados. Isso ocorre porque as cadeias longas se dobram com mais firmeza, protegendo seus núcleos da degradação química. As cadeias curtas degradam-se mais rapidamente. Cadeias mais longas ganham monômeros de aminoácidos reciclados, sugando mais recursos. Moléculas peptídicas vencedoras levam tudo, como um começo para a evolução darwiniana.

Um cético pode alegar que isso viola a Segunda Lei da Termodinâmica, mas isso não é correto. Resumindo: enquanto a Segunda Lei diz que a matéria morta tende ao equilíbrio e à degradação, a Segunda Lei não se aplica a coisas que estão “conectadas” – coisas como aparelhos de TV, que são afastados do equilíbrio. Na hipótese do foldcat, o que está ligado é a síntese de peptídeos na Rocha Fundadora na presença de aminoácidos abundantes. Esse é o motorista. Isso geraria grandes quantidades de peptídeos indesejados e um número muito pequeno de cadeias mais longas dobráveis. Mas isso é tudo o que é necessário para fazer a bola de neve rolar.



Função primeiro

Em suma, acreditamos que função (proteínas) veio antes da informação (RNA) . Não conhecemos nenhuma alternativa, ou seja, nenhuma força motriz para um processo que priorize a informação. Em vez de genes usando proteínas para fazer novos genes, nós acreditamos que proteínas usam genes para fazer novas proteínas . E o mecanismo foldcat simplesmente mostra como o intermediário - os genes - simplesmente não eram necessários no início. Os peptídeos produziram proteínas como o primeiro passo para a origem da vida.

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