Mundo do RNA

Uma comparação de RNA (esquerda) com DNA (Certo.), mostrando os helices e nucleobases cada emprega

O mundo do RNA é um estágio hipotético na história evolutiva da vida na Terra, no qual moléculas de RNA autorreplicantes proliferaram antes da evolução do DNA e das proteínas. O termo também se refere à hipótese que postula a existência dessa etapa.

Alexander Rich propôs pela primeira vez o conceito do mundo do RNA em 1962, e Walter Gilbert cunhou o termo em 1986. Caminhos químicos alternativos para a vida foram propostos, e a vida baseada em RNA pode não ter sido a primeira vida a existir. Mesmo assim, a evidência de um mundo de RNA é forte o suficiente para que a hipótese tenha ganhado ampla aceitação. A formação simultânea de todos os quatro blocos de construção do RNA reforçou ainda mais a hipótese. Independentemente de sua plausibilidade em um cenário pré-biótico, o mundo do RNA pode servir como um sistema modelo para estudar a origem da vida.

• Como DNA, o RNA pode armazenar e replicar informações genéticas.
• Como enzimas proteicas, as enzimas do RNA (ribozymes) podem catalisar (iniciar ou acelerar) reações químicas que são críticas para a vida.

Um dos componentes mais críticos das células, o ribossomo, é composto principalmente de RNA. Frações ribonucleotídicas em muitas coenzimas, como acetil-CoA, NADH, FADH e F420, podem ser remanescentes sobreviventes de coenzimas ligadas covalentemente em um mundo de RNA.

Embora o RNA seja frágil, alguns RNAs antigos podem ter desenvolvido a capacidade de metilar outros RNAs para protegê-los.

Se o mundo do RNA existiu, provavelmente foi seguido por uma era caracterizada pela evolução das ribonucleoproteínas (mundo RNP), que por sua vez deu início à era do DNA e das proteínas mais longas. O DNA tem maior estabilidade e durabilidade do que o RNA; isso pode explicar por que ela se tornou a molécula de armazenamento de informações predominante. As enzimas proteicas podem ter substituído as ribozimas baseadas em RNA como biocatalisadores porque sua maior abundância e diversidade de monômeros as tornam mais versáteis. Como alguns cofatores contêm características de nucleotídeos e aminoácidos, pode ser que os aminoácidos, peptídeos e, finalmente, as proteínas inicialmente fossem cofatores para ribozimas.

História

Um dos desafios no estudo da abiogênese é que o sistema de reprodução e metabolismo utilizado por toda a vida existente envolve três tipos distintos de macromoléculas interdependentes (DNA, RNA e proteína). Isso sugere que a vida não poderia ter surgido em sua forma atual, o que levou os pesquisadores a hipotetizar os mecanismos pelos quais o sistema atual pode ter surgido de um sistema precursor mais simples. O biólogo molecular americano Alexander Rich foi o primeiro a postular uma hipótese coerente sobre a origem dos nucleotídeos como precursores da vida. Em um artigo que contribuiu para um volume publicado em homenagem ao fisiologista Prêmio Nobel Albert Szent-Györgyi, ele explicou que o ambiente primitivo da Terra poderia ter produzido moléculas de RNA (monômeros de polinucleotídeos) que eventualmente adquiriram funções enzimáticas e auto-replicantes.

Outros conceitos de RNA como uma molécula primordial podem ser encontrados em artigos de Francis Crick e Leslie Orgel, bem como no livro de Carl Woese de 1967 O Código Genético. Hans Kuhn em 1972 expôs um possível processo pelo qual o sistema genético moderno pode ter surgido de um precursor baseado em nucleotídeos, e isso levou Harold White em 1976 a observar que muitos dos cofatores essenciais para a função enzimática são nucleotídeos ou poderiam ter sido derivados de nucleotídeos. Ele propôs um cenário em que a eletroquímica crítica das reações enzimáticas teria exigido a retenção das porções específicas de nucleotídeos das enzimas originais baseadas em RNA realizando as reações, enquanto os elementos estruturais remanescentes das enzimas foram gradualmente substituídos por proteínas, até que tudo o que restasse dos RNAs originais eram esses cofatores de nucleotídeos, "fósseis de enzimas de ácido nucleico". A frase "RNA World" foi usado pela primeira vez pelo Prêmio Nobel Walter Gilbert em 1986, em um comentário sobre como as observações recentes das propriedades catalíticas de várias formas de RNA se encaixam com essa hipótese.

Propriedades do RNA

As propriedades do RNA tornam a ideia da hipótese do mundo do RNA conceitualmente plausível, embora sua aceitação geral como uma explicação para a origem da vida exija mais evidências. O RNA é conhecido por formar catalisadores eficientes e sua semelhança com o DNA deixa clara sua capacidade de armazenar informações. As opiniões divergem, no entanto, sobre se o RNA constituiu o primeiro sistema auto-replicante autônomo ou foi um derivado de um sistema ainda anterior. Uma versão da hipótese é que um tipo diferente de ácido nucléico, denominado pré-RNA, foi o primeiro a surgir como uma molécula auto-reprodutora, sendo substituído pelo RNA somente mais tarde. Por outro lado, a descoberta em 2009 de que ribonucleotídeos de pirimidina ativados podem ser sintetizados em condições prebióticas plausíveis sugere que é prematuro descartar os primeiros cenários de RNA. Sugestões para 'simples' Os ácidos nucleicos pré-RNA incluíram ácido nucleico peptídico (PNA), ácido nucleico treose (TNA) ou ácido nucleico glicol (GNA). Apesar de sua simplicidade estrutural e posse de propriedades comparáveis com o RNA, a geração quimicamente plausível de estruturas "mais simples" ácidos nucléicos sob condições prebióticas ainda não foi demonstrado.

RNA como uma enzima

Enzimas de RNA, ou ribozimas, são encontradas na vida baseada em DNA de hoje e podem ser exemplos de fósseis vivos. As ribozimas desempenham funções vitais, como a do ribossomo. A grande subunidade do ribossomo inclui um rRNA responsável pela atividade da peptidil transferase formadora de ligação peptídica da síntese de proteínas. Existem muitas outras atividades de ribozimas; por exemplo, a ribozima cabeça de martelo realiza a autoclivagem e uma ribozima de polimerase de RNA pode sintetizar uma cadeia curta de RNA a partir de um molde de RNA iniciado.

Entre as propriedades enzimáticas importantes para o início da vida estão:

Auto-replicação

A capacidade de auto-replicar, ou sintetizar outras moléculas de RNA; moléculas de RNA relativamente curtas que podem sintetizar outros foram produzidas artificialmente no laboratório. O mais curto foi 165 bases longas, embora tenha sido estimado que apenas parte da molécula foi crucial para esta função. Uma versão, 189 bases longas, teve uma taxa de erro de apenas 1,1% por nucleotídeo ao sintetizar uma 11 nucleotídeo longa cadeia de RNA de fios de modelo primed. Este ribozyme de 189 pares de base poderia polimerizar um modelo de no máximo 14 nucleotídeos de comprimento, o que é muito curto para a auto replicação, mas é um chumbo potencial para investigação adicional. A maior extensão de primer realizada por uma polimerase ribozyme foi de 20 bases. Em 2016, pesquisadores relataram o uso da evolução in vitro para melhorar dramaticamente a atividade e a generalidade de um ribozyme de polimerase de RNA selecionando variantes que podem sintetizar moléculas funcionais de RNA de um modelo de RNA. Cada ribozyme da polimerase do RNA foi projetado para permanecer ligado à sua nova e sintetizada cadeia do RNA; isso permitiu que a equipe isolar polimerases bem sucedidas. Os polimerases isolados do RNA foram novamente usados para outra rodada da evolução. Depois de várias rodadas de evolução, eles obtiveram um ribozyme de polimerase de RNA chamado 24-3 que foi capaz de copiar quase qualquer outro RNA, de pequenos catalisadores a enzimas longas baseadas em RNA. Os RNAs especiais foram amplificados até 10.000 vezes, uma primeira versão do RNA da reação em cadeia da polimerase (PCR).

Catálise

A capacidade de catalisar reações químicas simples - que melhoraria a criação de moléculas que estão construindo blocos de moléculas de RNA (ou seja, um fio de RNA que faria a criação de mais fios de RNA mais fácil). As moléculas de RNA relativamente curtas com tais habilidades foram artificialmente formadas no laboratório. Um estudo recente mostrou que quase qualquer ácido nucleico pode evoluir em uma sequência catalítica sob seleção apropriada. Por exemplo, uma codificação arbitrariamente escolhida do fragmento de 50-nucleotide DNA para o Bos taurus (cattle) albumina mRNA foi submetida à evolução do tubo de teste para derivar um DNA catalítico (Deoxyribozyme, também chamado DNAzyme) com atividade de limpeza do RNA. Depois de apenas algumas semanas, um DNAzyme com atividade catalítica significativa evoluiu. Em geral, o DNA é muito mais quimicamente inerte do que o RNA e, portanto, muito mais resistente à obtenção de propriedades catalíticas. Se a evolução in vitro funciona para o DNA, isso acontecerá muito mais facilmente com o RNA.

Ligação de aminoácidos-RNA

A capacidade de conjugar um aminoácido para o fim de 3' de um RNA, a fim de usar seus grupos químicos ou fornecer uma cadeia lateral alifática de longo alcance.

Formação de ligação peptídica

A capacidade de catalisar a formação de ligações peptídicas entre aminoácidos para produzir peptídeos curtos ou proteínas mais longas. Isto é feito em células modernas por ribossomas, um complexo de várias moléculas de RNA conhecidas como RNA juntamente com muitas proteínas. As moléculas de RNA são consideradas responsáveis por sua atividade enzimática, pois nenhum resíduo amino-ácido está dentro de 18 A do local ativo da enzima, e, quando a maioria dos resíduos amino-ácidos no ribossoma foram rigorosamente removidos, o ribossoma resultante reteve sua atividade de transferência de peptidila, totalmente capaz de catalisar a formação de ligações de peptídeos entre aminoácidos. Uma simetria pseudo 2 dobra da região em torno do centro de transferase peptidyl levou à hipótese do Proto-Ribosome, que um vestígio de uma molécula dimerica antiga do mundo do RNA está funcionando dentro do ribossoma. Uma molécula de RNA com a sequência de RNA ribosomal foi sintetizada no laboratório para testar a hipótese proto-ribosome e foi capaz de dimerizar e formar ligações peptídicas. Uma molécula de RNA muito mais curta foi sintetizada no laboratório com a capacidade de formar ligações peptídicas, e tem sido sugerido que o RNA evoluiu de uma molécula semelhante. Também foi sugerido que os aminoácidos podem ter sido inicialmente envolvidos com moléculas de RNA como cofactores aumentando ou diversificando suas capacidades enzimáticas, antes de evoluir para peptídeos mais complexos. Da mesma forma, o tRNA é sugerido ter evoluído de moléculas de RNA que começaram a catalisar a transferência de aminoácidos.

RNA no armazenamento de informações

O RNA é uma molécula muito semelhante ao DNA, com apenas duas diferenças químicas significativas (o esqueleto do RNA usa ribose em vez de desoxirribose e suas nucleobases incluem uracil em vez de timina). A estrutura geral do RNA e do DNA é imensamente semelhante - uma fita de DNA e outra de RNA podem se ligar para formar uma estrutura de dupla hélice. Isso torna possível o armazenamento de informações no RNA de maneira muito semelhante ao armazenamento de informações no DNA. No entanto, o RNA é menos estável, sendo mais propenso à hidrólise devido à presença de um grupo hidroxila na ribose 2' posição.

A maior diferença entre RNA e DNA é a presença de um grupo hidroxil na posição 2.

Comparação da estrutura de DNA e RNA

A principal diferença entre o RNA e o DNA é a presença de um grupo hidroxila na posição 2' do açúcar ribose no RNA (ilustração, à direita). Este grupo torna a molécula menos estável porque, quando não está preso em uma dupla hélice, o 2' A hidroxila pode atacar quimicamente a ligação fosfodiéster adjacente para clivar o esqueleto fosfodiéster. O grupo hidroxila também força a ribose na conformação do açúcar C3'-endo, ao contrário da conformação C2'-endo do açúcar desoxirribose no DNA. Isso força uma dupla hélice de RNA a mudar de uma estrutura B-DNA para uma mais parecida com A-DNA.

O RNA também usa um conjunto de bases diferente do DNA - adenina, guanina, citosina e uracila, em vez de adenina, guanina, citosina e timina. Quimicamente, o uracil é semelhante à timina, diferindo apenas por um grupo metil, e sua produção requer menos energia. Em termos de emparelhamento de bases, isso não tem efeito. A adenina se liga prontamente ao uracil ou timina. Uracil é, no entanto, um produto de dano à citosina que torna o RNA particularmente suscetível a mutações que podem substituir um par de bases GC por um GU (oscilação) ou AU par de bases.

Acredita-se que o RNA tenha precedido o DNA, por causa de sua ordenação nas vias biossintéticas. Os desoxirribonucleotídeos usados para fazer o DNA são feitos de ribonucleotídeos, os blocos de construção do RNA, removendo o grupo 2'-hidroxila. Como consequência, uma célula deve ter a capacidade de produzir RNA antes de produzir DNA.

Limitações de armazenamento de informações no RNA

As propriedades químicas do RNA tornam as grandes moléculas de RNA inerentemente frágeis e podem ser facilmente decompostas em seus nucleotídeos constituintes por meio da hidrólise. Essas limitações não tornam o uso do RNA como um sistema de armazenamento de informações impossível, simplesmente intensivo em energia (para reparar ou substituir moléculas de RNA danificadas) e propenso a mutações. Embora isso o torne inadequado para o 'DNA otimizado' vida, pode ter sido aceitável para uma vida mais primitiva.

RNA como regulador

Verificou-se que os riboswitches atuam como reguladores da expressão gênica, particularmente em bactérias, mas também em plantas e archaea. Os riboswitches alteram sua estrutura secundária em resposta à ligação de um metabólito. Essa mudança na estrutura pode resultar na formação ou interrupção de um terminador, truncando ou permitindo a transcrição, respectivamente. Alternativamente, riboswitches podem ligar ou ocluir a sequência Shine-Dalgarno, afetando a tradução. Foi sugerido que eles se originaram em um mundo baseado em RNA. Além disso, os termômetros de RNA regulam a expressão gênica em resposta a mudanças de temperatura.

Suportes e dificuldades

A hipótese do mundo do RNA é apoiada pela capacidade do RNA de armazenar, transmitir e duplicar informações genéticas, como o DNA faz, e de realizar reações enzimáticas, como enzimas baseadas em proteínas. Por poder realizar os tipos de tarefas agora realizadas por proteínas e DNA, acredita-se que o RNA já foi capaz de sustentar a vida independente por conta própria. Alguns vírus usam RNA como material genético, em vez de DNA. Além disso, embora os nucleotídeos não tenham sido encontrados em experimentos baseados no experimento de Miller-Urey, sua formação em condições prebióticas plausíveis foi relatada em 2009; uma base purina, adenina, é apenas um pentâmero de cianeto de hidrogênio, e acontece que essa base particular é usada como veículo de energia onipresente na célula: trifosfato de adenosina é usado em todos os lugares em preferência ao trifosfato de guanosina, trifosfato de citidina, trifosfato de uridina ou mesmo desoxitimidina trifosfato, que poderiam servir tão bem, mas praticamente nunca são usados, exceto como blocos de construção para cadeias de ácidos nucléicos. Experimentos com ribozimas básicas, como o RNA do Bacteriófago Qβ, mostraram que estruturas de RNA auto-replicantes simples podem suportar até mesmo fortes pressões seletivas (por exemplo, terminadores de cadeia de quiralidade oposta).

Como não havia vias químicas conhecidas para a síntese abiogênica de nucleotídeos de nucleobases de pirimidina citosina e uracil sob condições pré-bióticas, alguns pensam que os ácidos nucleicos não continham essas nucleobases vistas nos ácidos nucleicos da vida. A citosina nucleosídica tem uma meia-vida isolada de 19 dias a 100 °C (212 °F) e 17.000 anos em água gelada, que alguns argumentam ser muito curta na escala de tempo geológico para acumulação. Outros questionaram se a ribose e outros açúcares do esqueleto poderiam ser estáveis o suficiente para serem encontrados no material genético original e levantaram a questão de que todas as moléculas de ribose teriam que ser o mesmo enantiômero, já que qualquer nucleotídeo com a quiralidade errada age como um terminador de cadeia.

Os ribonucleosídeos de pirimidina e seus respectivos nucleotídeos foram sintetizados prebioticamente por uma sequência de reações que contornam os açúcares livres e se montam de maneira gradual, incluindo químicas nitrogenadas e oxigenadas. Em uma série de publicações, John Sutherland e sua equipe na Escola de Química da Universidade de Manchester demonstraram rotas de alto rendimento para ribonucleotídeos de citidina e uridina construídos a partir de pequenos fragmentos de 2 e 3 carbonos, como glicolaldeído, gliceraldeído ou gliceraldeído-3 -fosfato, cianamida e cianoacetileno. Uma das etapas dessa sequência permite o isolamento da ribose aminooxazolina enantiopura se o excesso enantiomérico de gliceraldeído for de 60% ou mais, de possível interesse para a homoquiralidade biológica. Isso pode ser visto como uma etapa de purificação prebiótica, em que o referido composto cristalizou espontaneamente a partir de uma mistura das outras pentose aminooxazolinas. As aminooxazolinas podem reagir com o cianoacetileno de maneira suave e altamente eficiente, controlada por fosfato inorgânico, para dar os ribonucleotídeos de citidina. A fotoanomerização com luz UV permite a inversão em torno de 1' centro anomérico para fornecer a estereoquímica beta correta; um problema com essa química é a fosforilação seletiva da alfa-citidina na região 2' posição. No entanto, em 2009, eles mostraram que os mesmos blocos de construção simples permitem o acesso, por meio da elaboração de nucleobase controlada por fosfato, diretamente aos nucleotídeos de pirimidina 2',3'-cíclicos, que são conhecidos por serem capazes de polimerizar em RNA. A química orgânica Donna Blackmond descreveu essa descoberta como "forte evidência" em favor do mundo do RNA. No entanto, John Sutherland disse que, embora o trabalho de sua equipe sugira que os ácidos nucléicos desempenharam um papel inicial e central na origem da vida, isso não necessariamente apóia a hipótese do mundo do RNA no sentido estrito, que ele descreveu como um & #34;arranjo restritivo e hipotético".

O artigo de 2009 do grupo Sutherland também destacou a possibilidade de foto-sanitização dos fosfatos cíclicos de pirimidina-2',3'. Uma fraqueza potencial dessas rotas é a geração de gliceraldeído enriquecido com enantio, ou seu derivado 3-fosfato (o gliceraldeído prefere existir como seu ceto tautômero diidroxiacetona).

Em 8 de agosto de 2011, um relatório, baseado em estudos da NASA com meteoritos encontrados na Terra, foi publicado sugerindo que blocos de construção de RNA (adenina, guanina e moléculas orgânicas relacionadas) podem ter sido formados no espaço sideral. Em 2017, pesquisas usando um modelo numérico sugeriram que um mundo de RNA pode ter surgido em lagoas quentes na Terra primitiva e que os meteoritos eram uma fonte plausível e provável dos blocos de construção de RNA (ribose e ácidos nucleicos) para esses ambientes. Em 29 de agosto de 2012, astrônomos da Universidade de Copenhagen relataram a detecção de uma molécula específica de açúcar, o glicolaldeído, em um sistema estelar distante. A molécula foi encontrada em torno do binário protoestelar IRAS 16293-2422, localizado a 400 anos-luz da Terra. Como o glicolaldeído é necessário para formar o RNA, essa descoberta sugere que moléculas orgânicas complexas podem se formar em sistemas estelares antes da formação de planetas, eventualmente chegando a planetas jovens no início de sua formação. As nitrilas, precursoras moleculares chave do cenário do mundo do RNA, estão entre as famílias químicas mais abundantes no universo e foram encontradas em nuvens moleculares no centro da Via Láctea, protoestrelas de diferentes massas, meteoritos e cometas, e também na atmosfera de Titã, a maior lua de Saturno.

Síntese de RNA prebiótico

A hipótese do mundo do RNA propõe que a polimerização espontânea de ribonucleotides levou ao surgimento de ribozymes, e incluindo uma réplica do RNA.

Os nucleótidos são as moléculas fundamentais que se combinam em série para formar o ARN. Eles consistem em uma base nitrogenada ligada a um esqueleto de açúcar-fosfato. O RNA é feito de longos trechos de nucleotídeos específicos dispostos de modo que sua sequência de bases carregue informações. A hipótese do mundo do RNA sustenta que na sopa primordial (ou sanduíche), existiam nucleotídeos flutuantes. Esses nucleotídeos regularmente formavam ligações uns com os outros, que muitas vezes se quebravam porque a mudança na energia era muito baixa. No entanto, certas sequências de pares de bases possuem propriedades catalíticas que diminuem a energia de sua cadeia sendo criada, permitindo que permaneçam juntas por períodos de tempo mais longos. À medida que cada cadeia crescia, atraía mais nucleotídeos correspondentes mais rapidamente, fazendo com que as cadeias se formassem mais rapidamente do que se decompunham.

Essas cadeias foram propostas por alguns como as primeiras formas primitivas de vida. Em um mundo de RNA, diferentes conjuntos de fitas de RNA teriam diferentes saídas de replicação, o que teria aumentado ou diminuído sua frequência na população, ou seja, seleção natural. À medida que os conjuntos mais aptos de moléculas de RNA expandiam seus números, novas propriedades catalíticas adicionadas por mutação, que beneficiavam sua persistência e expansão, poderiam se acumular na população. Esse conjunto autocatalítico de ribozimas, capaz de auto-replicação em cerca de uma hora, foi identificado. Foi produzido por competição molecular (evolução in vitro) de misturas de enzimas candidatas.

A competição entre RNA pode ter favorecido o surgimento da cooperação entre diferentes cadeias de RNA, abrindo caminho para a formação da primeira protocélula. Eventualmente, as cadeias de RNA se desenvolveram com propriedades catalíticas que ajudam os aminoácidos a se unirem (um processo chamado ligação peptídica). Esses aminoácidos poderiam então auxiliar na síntese de RNA, dando às cadeias de RNA que poderiam servir como ribozimas a vantagem seletiva. A capacidade de catalisar uma etapa na síntese de proteínas, a aminoacilação do RNA, foi demonstrada em um segmento curto (cinco nucleotídeos) do RNA.

Em março de 2015, cientistas da NASA relataram que, pela primeira vez, compostos orgânicos complexos de DNA e RNA da vida, incluindo uracil, citosina e timina, foram formados em laboratório sob condições encontradas apenas no espaço sideral, usando produtos químicos, como pirimidina, encontrados em meteoritos. A pirimidina, como os hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAHs), pode ter sido formada em estrelas gigantes vermelhas ou em poeira interestelar e nuvens de gás, de acordo com os cientistas.

Em 2018, pesquisadores do Georgia Institute of Technology identificaram três candidatos moleculares para as bases que podem ter formado uma versão mais antiga do proto-RNA: ácido barbitúrico, melamina e 2,4,6-triaminopirimidina (TAP). Essas três moléculas são versões mais simples das quatro bases do RNA atual, que poderiam estar presentes em quantidades maiores e ainda serem compatíveis com elas, mas podem ter sido descartadas pela evolução em troca de pares de bases mais ideais. Especificamente, o TAP pode formar nucleotídeos com uma grande variedade de açúcares. Ambos TAP e base de melamina pareiam com ácido barbitúrico. Todos os três formam espontaneamente nucleotídeos com ribose.

Evolução do DNA

Um dos desafios colocados pela hipótese do mundo do RNA é descobrir o caminho pelo qual um sistema baseado em RNA fez a transição para um baseado em DNA. Geoffrey Diemer e Ken Stedman, da Portland State University, em Oregon, podem ter encontrado uma solução. Enquanto conduziam uma pesquisa de vírus em um lago quente e ácido no Lassen Volcanic National Park, Califórnia, eles descobriram evidências de que um simples vírus de DNA havia adquirido um gene de um vírus baseado em RNA completamente não relacionado. O virologista Luis Villareal, da University of California Irvine, também sugere que os vírus capazes de converter um gene baseado em RNA em DNA e depois incorporá-lo a um genoma baseado em DNA mais complexo podem ter sido comuns no mundo dos vírus durante a transição de RNA para DNA, alguns 4 bilhões de anos atrás. Essa descoberta reforça o argumento da transferência de informações do mundo do RNA para o mundo emergente do DNA antes do surgimento do último ancestral comum universal. Pela pesquisa, a diversidade desse mundo de vírus ainda está conosco.

Viróides

Evidências adicionais que apóiam o conceito de um mundo de RNA resultaram de pesquisas sobre viróides, os primeiros representantes de um novo domínio de "patógenos subvirais". Os viroides infectam plantas, onde a maioria são patógenos, e consistem em trechos curtos de RNA altamente complementar, circular, de fita simples e não codificante, sem uma capa de proteína. Eles são extremamente pequenos, variando de 246 a 467 nucleobases, em comparação com os menores vírus conhecidos capazes de causar uma infecção, com genomas de cerca de 2.000 nucleobases de comprimento.

Com base em suas propriedades características, em 1989, o biólogo vegetal Theodor Diener argumentou que os viróides são relíquias vivas mais plausíveis do mundo do RNA do que os íntrons e outros RNAs considerados candidatos na época. A hipótese de Diener seria ampliada pelo grupo de pesquisa de Ricardo Flores e ganhou um público mais amplo quando, em 2014, um redator de ciência do New York Times publicou uma versão popularizada da proposta.

As características dos viróides destacadas como consistentes com um mundo de RNA foram seu tamanho pequeno, alto conteúdo de guanina e citosina, estrutura circular, periodicidade estrutural, falta de capacidade de codificação de proteínas e, em alguns casos, replicação mediada por ribozimas. Um aspecto em que os críticos da hipótese se concentraram é que os hospedeiros exclusivos de todos os viróides conhecidos, as angiospermas, não evoluíram até bilhões de anos após a substituição do mundo do RNA, tornando os viróides mais prováveis de terem surgido por meio de mecanismos evolutivos posteriores não relacionados ao RNA. mundo do que ter sobrevivido por meio de um host enigmático durante esse período prolongado. Quer sejam relíquias desse mundo ou de origem mais recente, sua função como RNA nu autônomo é vista como análoga àquela prevista para um mundo de RNA.

Origem da reprodução sexuada

Eigen et al. e Woese propôs que os genomas das primeiras protocélulas eram compostos de RNA de cadeia simples e que os genes individuais correspondiam a segmentos separados de RNA, em vez de serem ligados ponta a ponta como nos genomas de DNA atuais. Uma protocélula haplóide (uma cópia de cada gene de RNA) seria vulnerável a danos, uma vez que uma única lesão em qualquer segmento de RNA seria potencialmente letal para a protocélula (por exemplo, bloqueando a replicação ou inibindo a função de um gene essencial).

A vulnerabilidade a danos pode ser reduzida mantendo duas ou mais cópias de cada segmento de RNA em cada protocélula, ou seja, mantendo diploidia ou poliploidia. A redundância do genoma permitiria que um segmento de RNA danificado fosse substituído por uma replicação adicional de seu homólogo. No entanto, para um organismo tão simples, a proporção de recursos disponíveis vinculados ao material genético seria uma grande fração do orçamento total de recursos. Sob condições de recursos limitados, a taxa reprodutiva da protocélula provavelmente seria inversamente relacionada ao número de ploidia. A adequação da protocélula seria reduzida pelos custos de redundância. Consequentemente, lidar com genes de RNA danificados e minimizar os custos de redundância provavelmente teria sido um problema fundamental para as primeiras protocélulas.

Foi realizada uma análise de custo-benefício na qual os custos de manutenção da redundância foram comparados com os custos dos danos ao genoma. Esta análise levou à conclusão de que, em uma ampla gama de circunstâncias, a estratégia selecionada seria cada protocélula ser haploide, mas fundir-se periodicamente com outra protocélula haploide para formar um diploide transitório. A retenção do estado haplóide maximiza a taxa de crescimento. As fusões periódicas permitem a reativação mútua de protocélulas letalmente danificadas. Se pelo menos uma cópia livre de dano de cada gene de RNA estiver presente no diploide transiente, uma progênie viável pode ser formada. Para que duas, em vez de uma, células-filhas viáveis fossem produzidas, seria necessária uma replicação extra do gene de RNA intacto homólogo a qualquer gene de RNA que tivesse sido danificado antes da divisão da protocélula fundida. O ciclo de reprodução haploide, com fusão ocasional para um estado diploide transitório, seguido de divisão para o estado haploide, pode ser considerado o ciclo sexual em sua forma mais primitiva. Na ausência desse ciclo sexual, as protocélulas haploides com dano em um gene de RNA essencial simplesmente morreriam.

Este modelo para o ciclo sexual inicial é hipotético, mas é muito semelhante ao comportamento sexual conhecido dos vírus de RNA segmentados, que estão entre os organismos mais simples conhecidos. O vírus influenza, cujo genoma consiste em 8 segmentos de RNA de fita simples separados fisicamente, é um exemplo desse tipo de vírus. Em vírus de RNA segmentados, o "acasalamento" pode ocorrer quando uma célula hospedeira é infectada por pelo menos duas partículas virais. Se cada um desses vírus contiver um segmento de RNA com um dano letal, a infecção múltipla pode levar à reativação, desde que pelo menos uma cópia não danificada de cada gene do vírus esteja presente na célula infectada. Esse fenômeno é conhecido como "reativação da multiplicidade". Foi relatado que a reativação da multiplicidade ocorre em infecções pelo vírus influenza após a indução de danos no RNA por radiação UV e radiação ionizante.

Outros desenvolvimentos

Patrick Forterre tem trabalhado em uma nova hipótese, chamada "três vírus, três domínios": que os vírus foram fundamentais na transição do RNA para o DNA e na evolução de Bacteria, Archaea e Eukaryota. Ele acredita que o último ancestral comum universal foram os vírus de RNA evoluídos e baseados em RNA. Alguns dos vírus evoluíram para vírus de DNA para proteger seus genes de ataques. Através do processo de infecção viral em hospedeiros, os três domínios da vida evoluíram.

Outra proposta interessante é a ideia de que a síntese de RNA pode ter sido impulsionada por gradientes de temperatura, no processo de termossíntese. Foi demonstrado que nucleotídeos únicos catalisam reações orgânicas.

Steven Benner argumentou que as condições químicas no planeta Marte, como a presença de boro, molibdênio e oxigênio, podem ter sido melhores para a produção inicial de moléculas de RNA do que na Terra. Nesse caso, moléculas adequadas à vida, originárias de Marte, podem ter migrado posteriormente para a Terra por meio de mecanismos de panspermia ou processo semelhante.

Hipóteses alternativas

A existência hipotética de um mundo de RNA não exclui um "mundo pré-RNA", onde um sistema metabólico baseado em um ácido nucléico diferente é proposto para pré-datar o RNA. Um ácido nucleico candidato é o ácido nucleico peptídico (PNA), que usa ligações peptídicas simples para ligar nucleobases. O PNA é mais estável que o RNA, mas sua capacidade de ser gerado em condições pré-biológicas ainda não foi demonstrada experimentalmente.

O ácido nucleico da treose (TNA) também foi proposto como ponto de partida, assim como o ácido nucleico do glicol (GNA) e, como o PNA, também carece de evidências experimentais para sua respectiva abiogênese.

Uma teoria alternativa - ou complementar - da origem do RNA é proposta na hipótese do mundo PAH, segundo a qual hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAHs) medeiam a síntese de moléculas de RNA. Os PAHs são os mais comuns e abundantes das moléculas poliatômicas conhecidas no Universo visível, e são provavelmente constituintes do mar primordial. PAHs e fulerenos (também implicados na origem da vida) foram detectados em nebulosas.

A teoria mundial do ferro-enxofre propõe que processos metabólicos simples se desenvolveram antes dos materiais genéticos, e esses ciclos de produção de energia catalisaram a produção de genes.

Algumas das dificuldades de produzir os precursores na Terra são contornadas por outra teoria alternativa ou complementar para sua origem, a panspermia. Ele discute a possibilidade de que a vida mais antiga neste planeta tenha vindo de algum outro lugar da galáxia, possivelmente em meteoritos semelhantes ao meteorito Murchison. Moléculas de açúcar, incluindo ribose, foram encontradas em meteoritos. A panspermia não invalida o conceito de um mundo de RNA, mas postula que este mundo ou seus precursores se originaram não na Terra, mas em outro planeta, provavelmente mais antigo.

A relativa complexidade química do nucleotídeo e a improbabilidade de surgir espontaneamente, juntamente com o número limitado de combinações possíveis entre as quatro formas básicas, bem como a necessidade de polímeros de RNA de algum comprimento antes de ver a atividade enzimática, levaram alguns rejeitar a hipótese do mundo do RNA em favor de uma hipótese do primeiro metabolismo, onde a química subjacente à função celular surgiu primeiro, juntamente com a capacidade de replicar e facilitar esse metabolismo.

Coevolução RNA-peptídeo

Outra proposta é que o sistema de moléculas duplas que vemos hoje, onde uma molécula baseada em nucleotídeos é necessária para sintetizar proteínas, e uma molécula baseada em peptídeos (proteínas) é necessária para fazer polímeros de ácido nucleico, representa a forma original de vida. Essa teoria é chamada de coevolução RNA-peptídeo, ou o mundo Peptídeo-RNA, e oferece uma possível explicação para a rápida evolução da replicação de alta qualidade no RNA (já que as proteínas são catalisadores), com a desvantagem de ter que postular a formação coincidente de duas moléculas complexas, uma enzima (de peptídeos) e um RNA (de nucleotídeos). Nesse cenário do Mundo Peptídeo-RNA, o RNA conteria as instruções para a vida, enquanto os peptídeos (simples enzimas proteicas) teriam acelerado as principais reações químicas para executar essas instruções. O estudo deixa em aberto a questão de como exatamente esses sistemas primitivos conseguiram se replicar – algo que nem a hipótese do mundo do RNA nem a teoria do mundo do peptídeo-RNA ainda podem explicar, a menos que as polimerases (enzimas que montam rapidamente a molécula de RNA) tenham desempenhado um papel.

Um projeto de pesquisa concluído em março de 2015 pelo grupo Sutherland descobriu que uma rede de reações começando com cianeto de hidrogênio e sulfeto de hidrogênio, em correntes de água irradiadas por luz ultravioleta, poderia produzir os componentes químicos de proteínas e lipídios, juntamente com os de ARN. Os pesquisadores usaram o termo "cianossulfídico" para descrever essa rede de reações. Em novembro de 2017, uma equipe do Scripps Research Institute identificou reações envolvendo o composto diamidofosfato que poderia ter ligado os componentes químicos em cadeias curtas de peptídeos e lipídios, bem como cadeias curtas de nucleotídeos semelhantes a RNA.

Implicações

A hipótese do mundo do RNA, se verdadeira, tem implicações importantes para a definição de vida. Na maior parte do tempo que se seguiu à elucidação da estrutura do DNA por Franklin, Watson e Crick em 1953, a vida foi amplamente definida em termos de DNA e proteínas: DNA e proteínas pareciam ser as macromoléculas dominantes na célula viva, com o RNA apenas auxiliando. na criação de proteínas a partir do projeto de DNA.

A hipótese do mundo do RNA coloca o RNA no centro do palco quando a vida se originou. A hipótese do mundo do RNA é apoiada pelas observações de que os ribossomos são ribozimas: o sítio catalítico é composto de RNA, e as proteínas não possuem nenhum papel estrutural importante e são de importância funcional periférica. Isso foi confirmado com a decifração da estrutura tridimensional do ribossomo em 2001. Especificamente, sabe-se agora que a formação da ligação peptídica, a reação que liga os aminoácidos em proteínas, é catalisada por um resíduo de adenina no rRNA.

Os RNAs são conhecidos por desempenhar papéis em outros processos catalíticos celulares, especificamente no direcionamento de enzimas para sequências específicas de RNA. Em eucariotos, o processamento do pré-mRNA e a edição do RNA ocorrem em locais determinados pelo pareamento de bases entre o RNA alvo e os constituintes do RNA de pequenas ribonucleoproteínas nucleares (snRNPs). Esse direcionamento enzimático também é responsável pela regulação negativa do gene através da interferência do RNA (RNAi), onde um RNA guia associado à enzima tem como alvo o mRNA específico para destruição seletiva. Da mesma forma, em eucariotos, a manutenção dos telômeros envolve a cópia de um molde de RNA que é parte constituinte da enzima ribonucleoproteína telomerase. Outra organela celular, a abóbada, inclui um componente ribonucleoproteico, embora a função dessa organela ainda não tenha sido elucidada.