Código genético desviante das mitocôndrias: evolução ou criação?

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por Fazale Rana

11 de abril de 2018

Antes de ingressar em Reasons to Believe, trabalhei por quase uma década em pesquisa e desenvolvimento (P&D) para uma empresa Fortune 500. Durante minha gestão, em diversas ocasiões fui designado para trabalhar em um projeto “ressuscitado” – um projeto que foi desativado anos antes por um motivo ou outro, mas que foi então considerado digno de outra tentativa pela alta administração.

É claro que a primeira coisa que fizemos quando começamos a trabalhar no “projeto antigo transformado em novo” foi revisar o trabalho realizado pela equipe anterior de P&D. Invariavelmente, nos depararíamos com coisas que eles fizeram e que não faziam sentido nenhum para nós. Aprendi rapidamente que, em vez de ridicularizar os membros anteriores da equipe por suas habilidades questionáveis de tomada de decisão e estratégia falha, era melhor rastrear os membros anteriores da equipe e descobrir por que eles fizeram as coisas daquela maneira. Quase sempre, havia boas razões que justificavam as suas decisões. Na verdade, a compreensão da sua lógica revelou muitas vezes uma engenhosidade na sua abordagem.

O mesmo pode ser dito das mitocôndrias — organelas em forma de feijão encontradas em células eucarióticas. As mitocôndrias desempenham um papel crucial na produção da energia que alimenta as operações da célula. Com base em uma série de características possuídas por essas organelas — características que aparentemente não fariam sentido se as mitocôndrias tivessem sido criadas por uma Mente Divina —, muitos biólogos acreditam que as mitocôndrias têm uma origem evolutiva. No entanto, à medida que aprendemos mais sobre as mitocôndrias, os cientistas estão descobrindo que as características que pensávamos que faziam pouco sentido do ponto de vista de um modelo criacionista têm uma razão para serem como são. De fato, estas características refletem uma engenhosidade subjacente, como atesta o trabalho de bioquímicos da Alemanha. [1]

Daremos uma olhada no trabalho desses bioquímicos posteriormente neste artigo. Mas, primeiro, seria útil compreender por que os biólogos evolucionistas pensam que o design das mitocôndrias não faz sentido se estas estruturas subcelulares forem entendidas como obra do Criador.

A Hipótese do Endossimbionte

A maioria dos biólogos evolucionistas acredita que a melhor explicação para a origem das mitocôndrias é a hipótese do endossimbionte. Lynn Margulis (1938–2011) avançou esta ideia para explicar a origem das células eucarióticas na década de 1960, com base nas ideias do botânico russo Konstantin Mereschkowsky.

Ministrado em cursos introdutórios de biologia do ensino médio e superior, o trabalho de Margulis tornou-se uma ideia fundamental do paradigma evolucionário. Esta exposição em sala de aula explica por que os alunos muitas vezes me perguntam sobre a hipótese do endossimbionte quando falo em campi universitários. Muitos estudantes do primeiro ano de biologia e cientistas profissionais consideram a evidência para a ideia convincente e, consequentemente, veem-na como um amplo suporte a uma explicação evolucionária para a história e o design da vida.

De acordo com esta hipótese, as células complexas originaram-se quando relações simbióticas se formaram entre micróbios unicelulares após células bacterianas e/ou arqueais de vida livre terem sido engolfadas por um micróbio “hospedeiro”. (As células ingeridas que fixam residência permanente em outras células são chamadas de “endossimbiontes”.)

Presumivelmente, organelas como as mitocôndrias já foram endossimbiontes. Uma vez introduzidos na célula hospedeira, os endossimbiontes passaram a residir permanentemente no hospedeiro, com o endossimbionte crescendo e se dividindo dentro do hospedeiro. Com o tempo, os endossimbiontes e o hospedeiro tornaram-se mutuamente interdependentes, com os endossimbiontes proporcionando um benefício metabólico para a célula hospedeira. Os endossimbiontes evoluíram gradualmente para organelas através de um processo conhecido como “redução do genoma”. Essa redução ocorreu quando os genes dos genomas dos endossimbiontes foram transferidos para o genoma do organismo hospedeiro. Finalmente, a célula hospedeira desenvolveu o maquinário para produzir as proteínas necessárias ao antigo endossimbionte e processos para transportar essas proteínas para o interior da organela.

Evidências para a Hipótese do Endossimbionte

As semelhanças entre organelas e bactérias servem como principal linha de evidência para a hipótese do endossimbionte. Por exemplo, as mitocôndrias — que se acredita serem descendentes de um grupo de alfaproteobactérias — têm aproximadamente o mesmo tamanho e formato de uma bactéria típica e têm uma estrutura de membrana dupla como essas células gram-negativas. Essas organelas também se dividem de uma forma que lembra as células bacterianas.

Evidências bioquímicas também existem para a hipótese do endossimbionte. Os biólogos evolucionistas veem a presença do diminuto genoma mitocondrial como um vestígio da história evolutiva desta organela. Além disso, os biólogos veem as semelhanças bioquímicas entre os genomas mitocondriais e bacterianos como mais uma evidência da origem evolutiva destas organelas.

A presença da cardiolipina lipídica única na membrana interna mitocondrial também serve como evidência para a hipótese do endossimbionte. Este é um importante componente lipídico das membranas internas bacterianas. Entretanto, não é encontrado nas membranas das células eucarióticas — exceto nas membranas internas das mitocôndrias. De fato, os bioquímicos o consideram uma assinatura lipídica das mitocôndrias e um vestígio da história evolutiva desta organela.

A Hipótese do Endossimbionte Explica com Sucesso a Origem das Mitocôndrias?

Apesar da evidência aparentemente convincente para a hipótese do endossimbionte, quando os investigadores tentam delinear os detalhes de uma suposta transição evolutiva, torna-se evidente que os biólogos carecem de uma explicação genuína para a origem das mitocôndrias e, num contexto mais amplo, a origem das células eucarióticas. Em três artigos anteriores, detalho alguns dos desafios científicos enfrentados pela hipótese do endossimbionte:

• “Biogênese de proteínas complexas faz alusão a design inteligente” {já publicado traduzido aqui no blog}
• “O paradigma evolutivo carece de explicação para a origem das mitocôndrias e das células eucarióticas” {já publicado traduzido aqui no blog}
• “Big Bangs da Biologia” {já publicado traduzido aqui no blog}

Uma Abordagem de Modelo de Criação para a Origem das Mitocôndrias

Dadas as deficiências científicas da hipótese do endossimbionte, será razoável ver as mitocôndrias (e as células eucarióticas) como obra de um Criador?

Eu diria que sim. Defendo que as semelhanças partilhadas entre as mitocôndrias e as alfaproteobactérias — que constituem a principal evidência da hipótese do endossimbionte — refletem projetos partilhados, e não uma história evolutiva partilhada. É comum que designers e engenheiros humanos reutilizem projetos. Então, por que um Criador não o faria? Veja este artigo para saber mais sobre essa ideia:

• “Arquétipo ou Ancestral? Sir Richard Owen e a defesa do design.” {já publicado traduzido aqui no blog}

Por Que as Mitocôndrias Têm Seu Próprio Genoma e Cardiolipina em Suas Membranas Internas?

Todavia, para interpretar legitimamente a gênese das mitocôndrias a partir de uma perspectiva de modelo de criação, deve haver uma razão para explicar por que as mitocôndrias têm os seus próprios genomas diminutos. E tem de haver uma explicação para a razão pela qual estas organelas possuem cardiolipina nas suas membranas internas, por que na superfície parece que os genomas mitocondriais e a cardiolipina são vestígios da história evolutiva destas organelas.

Como descrevi anteriormente (veja os artigos listados abaixo), os bioquímicos aprenderam recentemente que existem boas razões pelas quais as mitocôndrias têm seu próprio genoma — independente do genoma nuclear — e uma justificativa sólida para a presença de cardiolipina na membrana interna destas organelas. Em outras palavras, estas características das mitocôndrias fazem sentido do ponto de vista de um modelo criacionista.

• “Por que as mitocôndrias têm DNA?” {já publicado traduzido aqui no blog}
• “Genomas mitocondriais: evidências de evolução ou de criação?” {já publicado traduzido aqui no blog}
• “Um modelo criacionista pode explicar a origem das mitocôndrias?” {já publicado traduzido aqui no blog}

Por Que as Mitocôndrias Têm Seu Próprio Código Genético?

Mas há pelo menos uma outra característica preocupante dos genomas mitocondriais que requer uma explicação se quisermos ver legitimamente estas organelas como obra de um Criador. Pois se são obra do Criador, então por que as mitocôndrias fazem uso de códigos genéticos desviantes, e não universais? Mais uma vez, à primeira vista, pareceria que o código genético não universal nas mitocôndrias reflete a sua origem evolucionária. Para entender por que as mitocôndrias têm seu próprio código genético, são necessárias algumas informações básicas.

Um Código Genético Universal

O código genético é um conjunto de regras que definem as informações armazenadas no DNA. Estas regras especificam a sequência de aminoácidos que a maquinaria celular utiliza para construir proteínas. O código genético consiste em unidades de codificação, chamadas “códons”, e cada códon corresponde a um dos 20 aminoácidos encontrados nas proteínas.

Numa primeira aproximação, toda a vida na Terra possui o mesmo código genético. Dito de outra forma, o código genético é universal. Contudo, existem exemplos de organismos que possuem um código genético que se desvia do código universal em uma ou duas das atribuições de codificação. Presumivelmente, estes códigos desviantes originam-se quando o código genético universal evolui, alterando as atribuições de codificação.

Os Códigos Genéticos Desviantes das Mitocôndrias

Muito frequentemente, os genomas mitocondriais empregam códigos desviantes. Uma das diferenças mais comuns entre o código genético universal e aquele encontrado nos genomas mitocondriais é a reatribuição de um dos códons que especifica a isoleucina (no código universal) para que especifique a metionina. Na verdade, os biólogos evolucionistas acreditam que esta transição evolutiva aconteceu cinco vezes em linhagens mitocondriais independentes. [2]

Assim, embora muitos biólogos acreditem que os códigos genéticos não universais nas mitocôndrias podem ser explicados por meio de mecanismos evolutivos, os criacionistas (e os proponentes do DI) devem encontrar uma razão convincente para um Criador alterar o código genético universal no genoma destas organelas. Esta questão torna-se particularmente premente porque bioquímicos têm aprendido que as regras que definem o código genético são primorosamente otimizadas para a minimização de erros (entre outras coisas), como discuto nestes artigos:

• “Para sua informação: ID no design de decifração de DNA no código genético”
• “O Código Genético: Simplesmente o Melhor”

O Gênio dos Códigos Desviantes nas Mitocôndrias

Então, há uma justificativa para a reatribuição do códon isoleucina?

O trabalho realizado por uma equipe de bioquímicos alemães fornece uma resposta a esta questão — uma resposta que sublinha uma lógica molecular elegante para os códigos genéticos desviantes nas mitocôndrias. Estes pesquisadores fornecem evidências de que a reatribuição do códon isoleucina para a metionina protege as proteínas da membrana interna das mitocôndrias contra danos oxidativos.

As reações metabólicas que ocorrem nas mitocôndrias durante o processo de coleta de energia geram altos níveis de espécies reativas de oxigênio (ERO). Estes compostos altamente corrosivos danificarão os lipídios e as proteínas das membranas internas mitocondriais. O aminoácido metionina também é facilmente oxidado pelas ERO para formar sulfóxido de metionina. Quando isso acontece, a enzima metionina sulfóxido redutase (MSR) reverte a reação de oxidação reconvertendo o aminoácido oxidado em metionina.

Como consequência da reatribuição do códon da isoleucina, a metionina substitui a isoleucina nas proteínas codificadas pelo genoma mitocondrial. Muitas dessas proteínas residem na membrana interna mitocondrial. Curiosamente, muitos dos resíduos de isoleucina das proteínas da membrana mitocondrial interna estão localizados nas superfícies das biomoléculas. A substituição da isoleucina pela metionina tem efeito mínimo na estrutura e função destas proteínas porque estes dois aminoácidos possuem tamanho, forma e hidrofobicidade semelhantes. Mas como a metionina pode reagir com ERO para formar sulfóxido de metionina e depois ser convertida novamente em metionina pela MSR, as proteínas e lipídios da membrana interna mitocondrial são protegidas do dano oxidativo. Em outras palavras, a reatribuição de códons resulta em um sistema antioxidante altamente eficiente para as membranas internas mitocondriais.

A descoberta deste mecanismo antioxidante leva a outra questão: por que a reatribuição de códons não é encontrada universalmente nas mitocôndrias de todos os organismos? Acontece que os bioquímicos alemães descobriram que esta reatribuição de códons ocorre em animais ativos, colocando uma alta demanda metabólica nas mitocôndrias (e com ela, concomitantemente, uma produção elevada de ERO). Por outro lado, essa reatribuição de códons não ocorre em platelmintos (vermes chatos, que vivem sem necessidade de oxigênio) e em animais inativos, como esponjas e equinodermos.

Do ponto de vista de um modelo criacionista, há boas razões pelas quais as coisas são como são em relação à bioquímica mitocondrial. Na verdade, compreender a lógica do design das mitocôndrias revela uma engenhosidade nos designs da vida.

Notas de Fim

1. Aline Bender, Parvana Hajieva e Bernd Moosmann, “Adaptive Antioxidant Methionine Accumulation in Respiratory Chain Complexes Explains the Use of a Deviant Genetic Code in Mitochondria”, Proceedings of the National Academy of Sciences, USA 105 (outubro de 2008): 16496–16501, doi:10.1073/pnas.0802779105.
2. Como argumentei noutro lugar, a origem evolutiva aparentemente independente de características biológicas idênticas (ou quase idênticas) constitui um desafio significativo ao paradigma evolutivo, ao mesmo tempo que evidencia um papel para um Criador na origem e na história da vida. Por exemplo, veja meu artigo “Como um peixe fora d'água: por que sou cético em relação ao paradigma evolucionário”.

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Traduzido de Mitochondria’s Deviant Genetic Code: Evolution or Creation? (RTB)

Etiquetas:

endossimbiose - bioquímica - evolucionismo - evolução celular, dos seres unicelulares