Grande preocupação com cenários de origem da vida do tipo ‘metabolismo primeiro’

Imagem gerada por IA (acervo de Lexica)

por Fazale Rana

21 de fevereiro de 2008

Ciclos Metabólicos na Terra Primitiva São Considerados Implausíveis por Famoso Pesquisador da Origem da Vida

Quando alguém fala com você do além-túmulo, é melhor prestar atenção. Um artigo submetido postumamente em nome do falecido pesquisador da origem da vida Leslie Orgel acaba de ser publicado no periódico PLoS Biology. E Orgel tem uma mensagem para os pesquisadores da origem da vida: os ciclos metabólicos e, consequentemente, os cenários de metabolismo em primeiro lugar são irrealistas. Esse chamado para despertar causa uma grande preocupação com as explicações evolucionárias dos primórdios da vida.

Os modelos evolucionários de origem da vida requerem caminhos que, em última análise, geram duas das características bioquímicas definidoras da vida: autorreplicação e metabolismo. Como tal, há duas abordagens fundamentais para explicar o início da vida a partir de um ponto de vista evolucionário: (1) cenários 'replicador primeiro' e (2) 'metabolismo primeiro'.

Do ponto de vista molecular, a autorreplicação descreve a capacidade de uma molécula complexa de orientar sua própria reprodução, normalmente servindo como um modelo que direciona a montagem de constituintes químicos em moléculas idênticas a ela.

O DNA é uma molécula autorreplicante. O DNA não apenas orquestra sua própria reprodução, mas também abriga as informações necessárias para executar a operação da célula. Antes da divisão celular, a maquinaria bioquímica da célula gera duas moléculas de DNA idênticas a partir do DNA "pai". Essas duas moléculas se tornam particionadas nas células-filhas durante o processo de divisão celular. Dessa forma, as informações necessárias para operar a célula são passadas para a próxima geração.

O metabolismo define todo o conjunto de vias químicas na célula. As principais são aquelas que transformam quimicamente moléculas relativamente pequenas. As vias metabólicas: (1) geram energia química por meio da quebra controlada de moléculas de combustível, como açúcares e gorduras; e (2) produzem, de forma gradual, os blocos de construção necessários para montar proteínas, DNA, RNA e componentes da membrana celular e da parede celular. As vias metabólicas da vida geralmente compartilham muitas moléculas. As moléculas compartilhadas servem como pontos de conexão, fazendo com que as rotas metabólicas da célula se interconectem em redes complexas e reticuladas de vias químicas.

Cenários do tipo 'replicador primeiro' enfrentam obstáculos significativos, talvez intransponíveis. Para uma discussão detalhada dos problemas com explicações 'replicador primeiro' para a origem da vida, veja o livro que escrevi com Hugh Ross, Origins of Life: Biblical and Evolutionary Models Face Off (Origens da vida: Modelos bíblico e evolucionário se confrontam). Veja também um artigo anterior {traduzido e já publicado aqui no blog} que escrevi para Today's New Reason To Believe (Novas razões de hoje para crer).

Em face das dificuldades aparentemente intratáveis com cenários 'replicador primeiro', alguns pesquisadores da origem da vida postulam que, uma vez que os materiais prebióticos se formaram, essas moléculas relativamente pequenas se auto-organizaram para formar ciclos químicos e redes de reações químicas que, ao longo do tempo, deram origem aos sistemas metabólicos da vida. Uma vez encapsulados ou sequestrados dentro de uma membrana, esses sistemas complexos e reticulados de reações se tornaram os primeiros pré-biontes.

De acordo com essa visão, os autorreplicadores moleculares surgiram mais tarde, junto com as enzimas que catalisaram cada etapa dos ciclos e redes químicas. Alguns proponentes dos cenários do metabolismo em primeiro lugar sustentam que esses ciclos e redes se assemelhavam muito às vias metabólicas encontradas na célula hoje. Em outras palavras, "o metabolismo recapitula a biogênese". Os adeptos do metabolismo em primeiro lugar sugerem que: (1) espécies químicas individuais que faziam parte desses ciclos e redes catalisaram essas mesmas reações — um tipo de autocatálise; ou (2) que superfícies minerais catalisaram as vias protometabólicas.

(Eu também critiquei cenários que priorizam o metabolismo em um artigo anterior de TNRTB {traduzido e já publicado aqui no blog}).

Leslie Orgel criticou as ideias que priorizavam o metabolismo e produziu um manuscrito antes de sua morte detalhando algumas de suas preocupações.

Reconhecendo a importância das ideias que colocam o metabolismo em primeiro lugar para a questão da origem da vida, Orgel observa:

“Se ciclos complexos análogos aos ciclos metabólicos pudessem ter operado na Terra primitiva, antes do aparecimento de enzimas ou outros polímeros informacionais, muitos dos obstáculos à construção de um cenário plausível para a origem da vida desapareceriam.”

Ainda assim, os modelos de metabolismo em primeiro lugar só podem ser vistos como verdadeiramente válidos se forem quimicamente plausíveis. De acordo com Orgel, a plausibilidade química deve ser avaliada com base nas eficiências e especificidades dos ciclos protometabólicos no contexto das condições da Terra primitiva. Orgel ilustra a importância desses critérios para avaliar a probabilidade de cenários de metabolismo em primeiro lugar aplicando-os ao ciclo reverso do ácido cítrico.

Certas bactérias utilizam o ciclo reverso do ácido cítrico para fixar carbono, convertendo dióxido de carbono e água em compostos orgânicos. Alguns pesquisadores da origem da vida propuseram que o ciclo reverso do ácido cítrico foi uma das primeiras vias metabólicas a surgir e que sua gênese antecedeu a origem de moléculas baseadas em informação como RNA (e proteínas e DNA).

Orgel conclui que as condições da Terra primitiva permitem que o ciclo reverso do ácido cítrico opere suficientemente, desde que seja estável por longos períodos de tempo e que reações colaterais disruptivas não reduzam a eficiência geral do ciclo abaixo de cinquenta por cento. Por outro lado, o ciclo reverso do ácido cítrico (na verdade, todos os ciclos protometabólicos) parece ser implausível na Terra primitiva porque os catalisadores necessários para conduzir o ciclo não têm a especificidade necessária.

O ciclo reverso do ácido cítrico consiste em onze etapas, cada uma exigindo um catalisador mineral específico na Terra primitiva. O ciclo também depende de seis transformações químicas fundamentalmente distintas. Dentro das células, esse processo metabólico emprega catalisadores enzimáticos complexos que possuem altas especificidades e capacidades para discriminação em nível molecular entre os componentes do ciclo. Orgel argumenta corretamente que não é provável que os tipos certos de minerais necessários para realizar essas reações coexistissem em um local específico na Terra primitiva de tal forma a suportar o ciclo reverso do ácido cítrico.

O problema da especificidade se torna exacerbado se o ciclo reverso do ácido cítrico evoluir em direção a uma complexidade maior, um requisito se a vida se originar de um ciclo protometabólico. Presumivelmente, a evolução da complexidade resulta quando sequências de reações adicionais são anexadas às reações centrais do ciclo. De acordo com Orgel,

“Dada a dificuldade de encontrar um conjunto de catalisadores que sejam suficientemente específicos para permitir o ciclo original, é difícil ver como alguém poderia esperar encontrar um conjunto capaz de permitir dois ou mais.”

Discriminação, ou mais apropriadamente, a falta de discriminação também é um problema. Muitos dos compostos no ciclo reverso do ácido cítrico compartilham similaridades estruturais. Enzimas dentro das células podem facilmente distinguir esses compostos similares, mas catalisadores minerais não. Essa falta de especificidade fará com que componentes-chave do ciclo sejam desviados para reações colaterais disruptivas indesejadas. Com o tempo, essa interrupção provavelmente levará a eficiência do ciclo abaixo de cinquenta por cento, extinguindo-o.

Os problemas identificados para o ciclo reverso do ácido cítrico se aplicam a qualquer ciclo protometabólico concebível na Terra primitiva.

Consequentemente, embora os cenários do metabolismo em primeiro lugar estejam se tornando mais proeminentes dentro do paradigma evolucionário para a origem da vida, eles, em última análise, fornecem pouca esperança para explicar o surgimento da vida a partir de sistemas inanimados. As últimas palavras de Orgel para a comunidade da origem da vida admoestam tanto os adeptos do metabolismo em primeiro lugar quanto os do replicador em primeiro lugar,

“soluções oferecidas por defensores de cenários geneticistas ou metabólicos que dependem da química hipotética 'se os porcos pudessem voar' provavelmente não ajudarão.”

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Traduzido de Grave Concern about Metabolism First Origin-of-Life Scenarios (RTB)

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química da vida - evolucionismo - cenários para a origem da vida