Enhanced Fidelity and Sequence Generality of an RNA Polymerase Ribozyme

Muito antes da existência de vida complexa com DNA e proteínas, os cientistas acreditam que os primeiros sistemas vivos foram construídos inteiramente a partir de uma única molécula chamada RNA. Nessa era antiga, frequentemente chamada de "mundo do RNA", o RNA tinha que desempenhar um papel duplo: carregava instruções genéticas como um projeto e atuava como uma máquina para copiar a si mesmo, como um operário de fábrica. Para que a vida crescesse e evoluísse, essa máquina de RNA precisava ser incrivelmente precisa. Se ela cometesse erros demais ao copiar suas próprias instruções, a informação se tornaria confusa e inútil, causando o colapso do sistema. No entanto, criar uma molécula de RNA que possa se copiar com alta precisão é um desafio monumental. Embora cientistas tenham anteriormente projetado enzimas de RNA que podem construir outras fitas de RNA, essas primeiras versões eram desajeitadas. Elas só conseguiam copiar sequências simples e não estruturadas e frequentemente cometiam erros demais para sustentar um sistema vivo. Eram como uma fotocopiadora que só conseguia lidar com papel em branco ou linhas de texto únicas, falhando sempre que o documento se tornasse complexo ou se dobrasse em uma forma.

Uma equipe de pesquisadores do Instituto Salk engenharia uma nova versão dessa máquina de RNA que supera essas limitações. Ao submeter a enzima a um rigoroso processo de tentativa e erro, eles criaram um ribozima, ou enzima de RNA, que pode copiar fitas de RNA complexas e dobradas com uma precisão notável. Essa nova máquina, chamada 85h34, representa um salto significativo. Ela consegue ler modelos difíceis que eram impossíveis de copiar anteriormente e comete muito menos erros do que suas predecessoras. Mais importante ainda, ela pode fazer isso mesmo quando o ambiente químico é tornado menos favorável, uma condição que força a máquina a ser mais cuidadosa. Essa conquista aproxima os cientistas da criação de um sistema autorreplicante que poderia evoluir por conta própria, oferecendo um vislumbre de como a vida pode ter começado a partir de uma química simples.

A jornada para criar essa máquina melhorada começou com uma versão anterior da RNA polimerase, conhecida como 52-2. Este modelo anterior podia copiar RNA, mas lutava com a precisão, especialmente quando o modelo era longo ou possuía uma estrutura complexa. Quando tentava copiar uma molécula de RNA específica chamada ligase classe I, que possui 97 unidades, cometia tantos erros que as cópias resultantes eram quase inteiramente inúteis. Para corrigir isso, os pesquisadores decidiram colocar a enzima sob pressão extrema. Eles projetaram um experimento onde a única maneira de a enzima sobreviver e se reproduzir era se ela construísse com sucesso uma cópia funcional da ligase classe I. Se a enzima cometesse um erro, a cópia não funcionaria e aquela versão da enzima seria descartada.

Os pesquisadores realizaram esse processo de seleção por 33 rodadas adicionais de evolução. A cada rodada, eles tornavam a tarefa mais difícil. Reduziram o tempo que a enzima tinha para terminar o trabalho e, crucialamente, diminuíram a concentração de íons de magnésio na solução. O magnésio atua como um auxiliar para a reação química, mas ao reduzir sua quantidade, os pesquisadores forçaram a enzima a trabalhar de forma mais eficiente e cuidadosa. Uma concentração mais baixa de magnésio também torna mais difícil para a enzima ignorar erros, efetivamente punindo-a por erros de cópia. Ao longo dessas 33 rodadas, a população de enzimas de RNA mudou dramaticamente. Os pesquisadores rastrearam essas mudanças sequenciando o código genético das enzimas em cada etapa, observando como diferentes grupos, ou clados, de mutações subiam e caíam em popularidade.

Os dados revelaram uma história complexa de competição. No início do processo, um grupo de enzimas tornou-se dominante porque era muito preciso, mas era muito lento para concluir o trabalho nos limites de tempo reduzidos. À medida que a pressão aumentava, esse grupo morria. Dois outros grupos, que estiveram presentes em pequenos números, começaram a prosperar. Um grupo melhorou sua capacidade de lidar com as partes difíceis e dobradas do modelo, enquanto o outro tornou-se melhor em manter velocidade e precisão sob condições de baixo magnésio. Esses dois grupos carregavam conjuntos diferentes de mutações benéficas que estavam separados por grandes distâncias na sequência de RNA, tornando quase impossível para eles combinarem naturalmente seus melhores traços através de recombinação aleatória. Para resolver isso, os pesquisadores combinaram manualmente as melhores características de ambos os grupos em uma única enzima híbrida.

Este novo híbrido, chamado 85h34, provou ser uma potência. Ele podia sintetizar a complexa ligase classe I com alto rendimento, mesmo em condições onde as versões mais antigas falhavam completamente. Quando testado em uma variedade de modelos de RNA, incluindo aqueles com sequências difíceis e estruturas dobradas, o 85h34 superou consistentemente seus predecessores. Ele conseguia copiar modelos que continham longos trechos de sequências difíceis de ler e conseguia até mesmo desenrolar e copiar através de alças de grampo (hairpin loops) que faziam as enzimas mais antigas pararem. Talvez o mais impressionante seja que o 85h34 manteve sua capacidade de trabalhar quando a concentração de magnésio foi reduzida para apenas 10 milimolar, um nível tão baixo que nenhuma outra RNA polimerase ribozima fora capaz de funcionar, desde que um agente de aglomeração molecular (8% de PEG8000) fosse adicionado à solução.

A precisão desta nova máquina foi medida contando os erros que ela cometia durante o processo de cópia. A enzima 52-2 mais antiga cometia erros cerca de 14 vezes a cada 100 nucleotídeos copiados ao trabalhar na ligase classe I. Em contraste, a nova enzima 85h34 cometia apenas cerca de 6 erros a cada 100 nucleotídeos sob condições padrão, e esse número caiu para apenas 5 erros por 100 ao trabalhar no ambiente de baixo magnésio. Essa melhoria veio de duas fontes: a nova enzima era melhor em selecionar os blocos de construção corretos para começar e era muito melhor em interromper a si mesma caso já tivesse cometido um erro. Ao recusar-se a estender uma cópia defeituosa, ela evitava o acúmulo de erros no produto final.

A significância deste trabalho reside no que ele possibilita. Para que a vida evolua, a informação genética deve ser transmitida com fidelidade suficiente para preservar traços úteis, mas com variação suficiente para permitir a inovação. A polimerase 85h34 cruzou um limiar crítico onde pode copiar RNAs funcionais complexos sem que a informação se degrade em algo sem sentido. Isso significa que os cientistas agora podem usar esta enzima para evoluir outras moléculas de RNA, criando um sistema onde o RNA pode não apenas se copiar, mas também melhorar a si mesmo ao longo do tempo. Os pesquisadores sugerem que esse processo de "bootstrapping" (autoinicialização), onde uma máquina de cópia melhor cria cópias melhores de si mesma, poderia eventualmente levar a um sistema de RNA totalmente autoevolutivo. Embora o artigo não afirme ter criado a vida, ele construiu a máquina de cópia de RNA mais capaz até o momento, fornecendo uma ferramenta robusta para explorar as origens químicas da vida e os princípios fundamentais da evolução.