RNA and proteins joined up at the origins of Life: Persistence is the point

A vida como a conhecemos é construída sobre uma parceria entre dois tipos de moléculas muito diferentes. Um tipo, os ácidos nucleicos, atua como a biblioteca da vida, armazenando as instruções para construir todo o resto. O outro tipo, as proteínas, atua como a força de trabalho, realizando as tarefas químicas que mantêm uma célula viva e em crescimento. Por décadas, cientistas têm se intrigado sobre como essa parceria começou. A ideia predominante, conhecida como hipótese do mundo do RNA, sugere que a vida começou com apenas um desses jogadores: o RNA, que poderia tanto armazenar informação quanto realizar algum trabalho químico. No entanto, essa visão tem dificuldade em explicar como uma única molécula poderia lidar com ambos os papéis com perfeição suficiente para iniciar uma linhagem que sobreviva e evolua. Outra possibilidade é que as proteínas tenham vindo primeiro, mas elas carecem da capacidade de se copiar de forma confiável. A questão central permanece: como esses dois sistemas distintos uniram forças para criar as primeiras células vivas?

Dois pesquisadores da Universidade Stony Brook, Mohamed Swailem e Ken A. Dill, propuseram uma nova maneira de pensar sobre essa história de origem. Em vez de perguntar qual molécula veio primeiro, eles perguntam como as duas poderiam ter ajudado uma à outra a sobreviver desde o início. O trabalho deles sugere que a chave não foi a perfeição em nenhuma das moléculas, mas uma divisão de trabalho que permitiu que elas impulsionassem uma à outra para a existência. Ao combinar as forças de ambas, eles argumentam, a vida poderia ter emergido mesmo que as partes individuais estivessem longe de serem perfeitas.

Para entender o raciocínio deles, ajuda olhar para como a evolução funciona como um processo de tentativa e erro. Imagine uma população de moléculas simples e autorreplicantes. Ocasionalmente, ocorre um erro durante a cópia, criando uma nova versão. Se essa nova versão for melhor em sobreviver ou em fazer cópias, ela se tornará mais comum, enquanto as versões mais fracas desaparecem. Este é o motor da seleção natural. Mas para que este motor funcione, deve haver duas coisas distintas acontecendo: uma maneira de gerar mudanças aleatórias (a tentativa) e uma maneira de testar quais mudanças são melhores (o erro). Os pesquisadores argumentam que os dois tipos de moléculas em nossas células são perfeitamente adequados para esses trabalhos distintos.

Os ácidos nucleicos, como o DNA e o RNA, são rígidos e estáveis. Sua estrutura permite que armazenem informação sem serem facilmente influenciados pelo seu entorno. Eles são excelentes em ser um projeto, carregando instruções sem alterá-las. No entanto, não são muito bons em realizar trabalho químico. As proteínas, por outro lado, são flexíveis e diversas. Elas se dobram em formas complexas que permitem que atuem como ferramentas, acelerando reações e construindo estruturas. Mas as proteínas são pobres em armazenar informação; elas são difíceis de ler e copiar com precisão. Na visão dos pesquisadores, a evolução precisava de um sistema onde o "projeto" pudesse ser alterado aleatoriamente sem viés, enquanto as "ferramentas" poderiam ser testadas para sua capacidade de ajudar o sistema a crescer.

Os autores construíram um modelo computacional para testar o que acontece quando essas duas moléculas interagem. Eles começaram com um cenário onde nenhuma das moléculas era muito boa em seu trabalho. Os ácidos nucleicos não eram muito precisos ao se copiarem, e as proteínas não eram muito boas em ajudar com essa cópia. Em um mundo onde essas moléculas agiam sozinhas, elas simplesmente desapareceriam. O modelo mostrou que, sem ajuda, a população dessas moléculas diminuiria até desaparecer, incapaz de superar a taxa na qual se degradam ou são diluídas.

No entanto, quando os pesquisadores permitiram que as duas moléculas trabalhassem juntas, o resultado mudou dramaticamente. Em seu modelo, as proteínas ajudavam os ácidos nucleicos a se copiarem de forma mais eficaz, enquanto os ácidos nucleicos forneciam as instruções para fabricar as proteínas. Isso criou um ciclo de retroalimentação. Mesmo que a cópia fosse imprecisa e as proteínas fossem apenas moderadamente úteis, a combinação permitia que o sistema crescesse. Os pesquisadores descobriram que as duas moléculas podiam resgatar uma à outra. Um ácido nucleico que não era muito bom em se copiar poderia sobreviver se fosse pareado com uma proteína que fosse muito boa em ajudar. Inversamente, uma proteína que não fosse muito eficiente poderia persistir se fosse pareada com um ácido nucleico que fosse muito preciso.

Este relacionamento é o que os pesquisadores chamam de "fronteira de Pareto", um conceito que descreve uma situação em que você pode trocar uma vantagem por outra. Em suas simulações, eles encontraram uma fronteira clara entre um mundo onde as moléculas morrem e um mundo onde elas prosperam. De um lado desta linha, as moléculas são fracas demais para sobreviver. Do outro, elas formam uma unidade cooperativa que cresce e persiste. A descoberta mais marcante é que essa transição não exige que ambas as moléculas sejam perfeitas. Requer apenas que elas sejam boas o suficiente juntas. O modelo mostra que um sistema com ácidos nucleicos ruins e proteínas fortes pode sobrevது tão bem quanto um sistema com ácidos nucleicos fortes e proteínas ruins, desde que estejam ligados.

Os pesquisadores também observaram quanto tempo esses sistemas poderiam durar. Eles descobriram que uma única molécula, agindo sozinha, tem uma vida muito curta. Ela se degrada rapidamente e, sem uma maneira de se copiar com precisão, sua linhagem termina quase imediatamente. Mas quando as duas moléculas unem forças, todo o sistema ganha uma vida muito mais longa. A linhagem dessas unidades cooperativas pode persistir por muito tempo, muito mais do que qualquer molécula individual conseguiria sobreviver sozinha. Esta persistência é o que os pesquisadores identificam como o verdadeiro início da vida: a mudança de reações químicas de vida curta para linhagens de vida longa que podem evoluir.

Este modelo desafia a ideia de que a vida deve ter começado com uma única molécula perfeita que pudesse fazer tudo. Em vez disso, sugere que a vida começou com uma parceria. Os pesquisadores argumentam que a transição da química para a biologia não foi um salto súbito para a perfeição, mas um processo gradual onde dois sistemas imperfeitos aprenderam a depender um do outro. As proteínas forneceram o ajuste funcional, ajudando o sistema a crescer e adaptar-se, enquanto os ácidos nucleicos forneceram a hereditariedade, garantindo que as combinações bem-sucedidas fossem passadas adiante.

Os autores ressaltam cuidadosamente que seu trabalho é uma simulação, uma exploração matemática de como essas dinâmicas podem funcionar. Eles não afirmam ter descoberto o evento histórico exato que iniciou a vida, mas sim ter mostrado um mecanismo físico plausível que torna a origem da vida mais provável. Seu modelo demonstra que o "paradoxo de Eigen" — a ideia de que você precisa de boas proteínas para fazer bons ácidos nucleicos e de bons ácidos nucleicos para fazer boas proteínas, criando um beco sem saída — pode ser resolvido através da cooperação. Ao compartilhar a carga, as duas moléculas podem superar as limitações que impediriam cada uma delas de ter sucesso isoladamente.

No fim, o artigo oferece uma percepção silenciosa, mas poderosa: a origem da vida pode não ter sido sobre encontrar uma única molécula milagrosa. Pode ter sido sobre dois tipos diferentes de moléculas encontrando uma maneira de se manterem unidas. Uma forneceu a memória, a outra forneceu o músculo. Juntas, elas criaram um sistema que era maior do que a soma de suas partes, permitindo que as primeiras linhagens persistissem tempo suficiente para evoluir para a vida complexa que vemos hoje. Os pesquisadores concluem que essa divisão de trabalho, onde uma molécula armazena o plano e a outra constrói a máquina, não é apenas uma característica da vida moderna, mas o próprio fundamento que tornou a vida possível em primeiro lugar.