Desvendando os segredos da vida usando o antigo código do RNA

Revelado por estudiosos Salik ARN Capacidades que permitem a evolução darwiniana em nível molecular e aproximam os pesquisadores da produção de vida independente de RNA em laboratório.

Charles Darwin descreveu a evolução como “descendência com modificação”. Informações genéticas na forma de ADN As sequências são copiadas e transmitidas de geração em geração. Mas este processo também deve ser um tanto flexível, permitindo o surgimento de variações sutis nos genes ao longo do tempo e a introdução de novas características na população.

Mas como tudo começou? Nas origens da vida, muito antes das células, das proteínas e do ADN, poderia ter ocorrido um tipo semelhante de evolução numa escala mais simples? Cientistas da década de 1960, incluindo Leslie Orgill, colega de Salk, propuseram que a vida começou com o “mundo do ARN”, uma era hipotética em que pequenas moléculas de ARN ligadas a cadeias governaram a Terra primitiva e estabeleceram a dinâmica da evolução darwiniana.

As sequências de cabeça de martelo transcritas pela polimerase de baixa fidelidade se afastam da sequência de RNA original (topo) e perdem sua função com o tempo. Os martelos catalisados ​​pela polimerase HD retêm a função e desenvolvem sequências mais apropriadas (parte inferior). Crédito: Instituto Salk

Pesquisa pioneira sobre o papel do RNA no desenvolvimento inicial

Novas pesquisas no Instituto Salk fornecem agora novos insights sobre as origens da vida, fornecendo evidências convincentes que apoiam a hipótese do RNA World. O estudo publicado em Anais da Academia Nacional de Ciências (PNAS) Em 4 de março de 2024, ele revela uma enzima de RNA que pode fazer cópias exatas de outras cadeias funcionais de RNA, ao mesmo tempo que permite o surgimento de novas variantes da molécula ao longo do tempo. Estas capacidades notáveis ​​sugerem que as primeiras formas de evolução podem ter ocorrido a nível molecular no RNA.

Os resultados também aproximam os cientistas da recriação da vida baseada em RNA em laboratório. Ao modelar esses ambientes primitivos em laboratório, os cientistas podem testar diretamente hipóteses sobre como a vida começou na Terra, ou mesmo em outros planetas.

“Estamos perseguindo o alvorecer da evolução”, diz o autor sênior e presidente da Salk Foundation, Gerald Joyce. “Ao revelar essas novas capacidades do RNA, estamos revelando as origens potenciais da própria vida e como moléculas simples poderiam ter pavimentado o caminho para a complexidade e diversidade da vida que vemos hoje.”

Os gráficos de dispersão mostram a evolução das populações de tubarões-martelo ao longo de múltiplas rodadas de evolução. Os martelos transcritos pela polimerase de baixa fidelidade (52-2) se afastam da sequência original de RNA (linhas brancas) e perdem sua função. Os martelos transcritos por uma nova polimerase de alta fidelidade (71-89) retêm a função, com novas sequências funcionais surgindo ao longo do tempo. Crédito: Instituto Salk

A função única do RNA e a busca pela fidelidade de replicação

Os cientistas podem usar o DNA para traçar a história evolutiva das plantas e animais modernos, desde os mais antigos organismos unicelulares. Mas o que aconteceu antes disso ainda não está claro. Hélices de DNA de fita dupla são ótimas para armazenar informações genéticas. Em última análise, muitos desses genes codificam proteínas, máquinas moleculares complexas que realizam todo tipo de funções para manter as células vivas. O que torna o RNA único é que essas moléculas podem fazer as duas coisas. Eles são feitos de sequências de nucleotídeos estendidas, semelhantes ao DNA, mas também podem funcionar como enzimas para facilitar reações, como proteínas. Então, poderia o RNA ser um precursor da vida como a conhecemos?

Cientistas como Joyce têm explorado esta ideia há anos, com foco particular nas ribozimas da RNA polimerase – moléculas de RNA que podem fazer cópias de outras cadeias de RNA. Na última década, Joyce e sua equipe desenvolveram ribozimas de RNA polimerase em laboratório, usando uma forma de evolução dirigida para produzir novas versões capazes de replicar moléculas maiores. Mas a maioria deles sofre de uma falha fatal: são incapazes de replicar sequências num grau suficientemente elevado. Precisão. Ao longo de muitas gerações, são introduzidos tantos erros na sequência que as cadeias de ARN resultantes já não se assemelham à sequência original e a sua função é completamente perdida.

Até aqui. A mais recente ribozima de RNA polimerase desenvolvida em laboratório tem uma série de mutações importantes que lhe permitem copiar uma fita de RNA com muito maior fidelidade.

A partir da esquerda: David Horning, Gerald Joyce e Nikolaos Papastavrou. Crédito: Instituto Salk

Nestas experiências, a cadeia de ARN que está a ser transcrita é o “cabeça-de-martelo”, uma pequena molécula que quebra outras moléculas de ARN em pedaços. Os pesquisadores ficaram surpresos ao descobrir que não apenas a ribozima da RNA polimerase replicou com precisão os tubarões-martelo funcionais, mas, com o tempo, novas variações dos tubarões-martelo começaram a aparecer. Estas novas variantes tiveram um desempenho semelhante, mas as suas mutações tornaram-nas mais fáceis de reproduzir, o que aumentou a sua aptidão evolutiva e acabou por levá-las a dominar as populações de tubarões-martelo em laboratório.

“Há muito que nos perguntamos quão simples era a vida no seu início e quando adquiriu a capacidade de começar a melhorar”, diz o primeiro autor Nikolaos Papastavrou, investigador associado no laboratório de Joyce. “Este estudo sugere que o início da evolução pode ter sido muito precoce e muito simples. Algo ao nível das moléculas individuais poderia ter impulsionado a evolução darwiniana, e esta pode ter sido a faísca que permitiu que a vida se tornasse mais complexa, passando de moléculas para células para organismos.” Multicelular.

Os resultados destacam a importância crítica da fidelidade de replicação para tornar a evolução possível. A fidelidade da transcrição da RNA polimerase deve exceder um limite crítico para manter a informação hereditária ao longo de múltiplas gerações, e esse limite teria aumentado à medida que o tamanho e a complexidade do RNA em evolução aumentassem.

O futuro da pesquisa de RNA e da vida independente

A equipe de Joyce está recriando esse processo em tubos de ensaio de laboratório, aplicando pressão seletiva crescente ao sistema para produzir polimerases de melhor desempenho, com o objetivo de um dia produzir uma RNA polimerase que possa se replicar. Isto marcaria o início da vida autônoma do RNA em laboratório, que os pesquisadores dizem que poderia ser alcançada na próxima década.

Os cientistas também estão interessados ​​no que poderá acontecer quando o pequeno “mundo do RNA” ganhar mais independência.

“Vimos que a pressão de seleção pode melhorar um RNA com uma função existente, mas se permitirmos que o sistema evolua por mais tempo com conjuntos maiores de moléculas de RNA, novas funções poderão ser inventadas?” diz o co-autor David Horning, um cientista do laboratório de Joyce. “Estamos entusiasmados em responder como o início da vida pode ter aumentado a complexidade, usando ferramentas desenvolvidas aqui na Salk.”

Os métodos utilizados no laboratório de Joyce também abrem caminho para experiências futuras que testam outras ideias sobre as origens da vida, incluindo quais as condições ambientais que poderiam melhor apoiar a evolução do ARN, tanto na Terra como noutros planetas.

Referência: “Evolution of RNA-catalyzed RNA” por Nikolaos Papastavrou, David P. Horning e Gerald F. Joyce, 4 de março de 2024, Anais da Academia Nacional de Ciências.
doi: 10.1073/pnas.2321592121

O trabalho foi anteriormente apoiado NASA (80NSSC22K0973) e a Fundação Simons (287624).