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Mundo do RNA

RNA autorreplicante

Uma estrutura semelhante a uma árvore da origem da vida ramificada que tem uma molécula de RNA na parte inferior. A partir do RNA, há uma linha que se conecta a uma célula, e a partir da célula há 7 ramos que se conectam a diferentes organismos. Entre esses organismos estão plantas, crustáceos e protozoários. A partir de um protozoário, há uma linha que o conecta a um peixe, e a partir do peixe há 7 linhas diferentes que conectam o peixe a diferentes imagens de organismos, inclusive um ser humano, um cachorro, um pássaro, um pinguim, um sapo, uma tartaruga e um dinossauro.
A hipótese do mundo do RNA sugere que a vida na Terra começou com uma simples molécula de RNA que pôde se autorreplicar.
A hipótese do mundo do RNA sugere que a vida na Terra começou com uma simples molécula de RNA que pôde se autorreplicar sem a ajuda de outras moléculas.
O DNA, o RNA e as proteínas são fundamentais para a vida na Terra. O DNA armazena as instruções para a construção dos seres vivos - de bactérias a mamangabas. E as proteínas conduzem as reações químicas necessárias para manter as células vivas e saudáveis. Até recentemente, considerava-se o RNA pouco mais que um mensageiro entre o DNA e as proteínas, carregando instruções, como o RNA mensageiro (RNAm), para construção das proteínas. No entanto, o RNA pode fazer muito mais. Ele pode conduzir reações químicas, assim como as proteínas, e carregar informações genéticas, assim como o DNA. E, como o RNA pode exercer essas duas funções, a maioria dos cientistas acredita que a vida como a conhecemos começou em um mundo de RNA, sem DNA nem proteínas.

Os primeiros RNAs

Então, como o RNA evoluiu na Terra? Os cientistas acreditam que, na Terra primitiva, blocos construtores de RNA (nucleotídeos) surgiram em uma sopa caótica de moléculas. Esses nucleotídeos se ligaram para formar os primeiros RNAs. Assim que eram formados, quebravam-se. No entanto, novos eram formados em seu lugar. Alguns RNAs mostraram-se mais estáveis que outros. Essas fitas de RNA cresceram mais e se ligaram mais rapidamente aos nucleotídeos. Eventualmente, as fitas de RNA cresceram mais rápido do que se quebraram, e esta foi a chance de o RNA dar início à vida.

Descendência do RNA

Todos os seres vivos se reproduzem. Eles copiam suas informações genéticas e as passam a seus descendentes. E, para os RNAs começarem a vida, eles também precisaram se reproduzir. É por isso que os cientistas acreditam que o mundo do RNA deslanchou quando surgiu um RNA que podia fazer cópias de si mesmo. Assim como ele, novos RNAs autorreplicantes surgiram. Alguns melhores em se autorreplicar que outros. Os RNAs competiram entre si e os mais bem-sucedidos venceram. Ao longo de milhões de anos, esses RNAs se multiplicaram e evoluíram para criar uma série de máquinas de RNA. Em algum momento, o DNA e as proteínas evoluíram. As proteínas começaram a conduzir as reações químicas nas células, e o DNA—que é mais estável que o RNA—assumiu a tarefa de armazenar as informações genéticas.

RNA construtor de nucleotídeos

Um diagrama de um único cordão com formas coloridas presas a ele, representando nucleotídeos de livre flutuação. O cordão é mostrado tendo como fundo nuvens, colinas e terra.
Os primeiros RNAs provavelmente foram formados por nucleotídeos de livre flutuação, que surgiram em uma sopa primordial de moléculas.
Manter blocos construtores de RNA (nucleotídeos) suficientes teria sido uma prioridade no mundo do RNA. Os cientistas acreditam que os RNAs construtores de nucleotídeos evoluíram na Terra primitiva para fornecer nucleotídeos para a construção de novos RNAs.

Suprimento para o mundo do RNA

De acordo com a teoria do mundo do RNA, os primeiros RNAs foram formados a partir de nucleotídeos de livre flutuação que surgiram em uma sopa primordial de moléculas. Eles se uniram para formar fitas de RNA que não eram muito estáveis e se degradavam rapidamente. Mas alguns eram mais estáveis que outros. Esses RNAs cresceram mais e os nucleotídeos se ligaram mais rapidamente. Eventualmente, as fitas de RNA cresceram mais rápido do que se quebraram - e esse foi o ponta-pé inicial do RNA. Durante milhões de anos, esses RNAs se multiplicaram e evoluíram para criar uma série de máquinas de RNA que são a base da vida como a conhecemos hoje. Mas, para as moléculas de RNA se consolidarem, elas precisariam de um suprimento abundante de nucleotídeos. E os cientistas acreditam que os RNAs construtores de nucleotídeos evoluíram para fornecer esses blocos construtores de RNA.

Evolução em tubo de ensaio

Cientistas que tentaram recriar as condições da Terra primitiva em um tubo de ensaio conseguiram desenvolver uma série de máquinas de RNA que puderam conduzir reações químicas para formar algumas partes de um nucleotídeo. Isso prova que o RNA pode conduzir reações químicas construtoras de nucleotídeos. Mas os pesquisadores ainda precisam criar uma máquina de RNA que possa criar nucleotídeos inteiros usando ingredientes que estariam disponíveis na Terra primitiva.

RNA captadores

Uma imagem tridimensional de um ribossomo que se parece com uma bolha verde de espirais que tem um cordão branco com cores presas a ele.
Um ribossomo - a máquina de montagem de proteínas de uma célula.
Em um mundo do RNA, os cientistas acreditam que RNAs simples se agarram a outros RNAs ou moléculas para formar complexos que podem alterar, ou aprimorar, sua função. Este foi um passo em direção a uma vida mais complexa.
Os ribossomos, que são as máquinas de montagem de proteínas de uma célula, são compostos por RNAs ribossômicos (RNAr) e proteínas. Mas os RNAr em um ribossomo evoluíram muito antes das proteínas ribossômicas. No mundo do RNA, é possível que um RNA tenha se agarrado a outro RNA para criar uma máquina de RNA que—pela primeira vez—uniu os aminoácidos para formar uma proteína. Assim, surgiu a primeira versão de um ribossomo.
Alguns RNAs mensageiros (RNAm) de bactérias e de algumas plantas contêm uma seção de código, chamada riboswitch, que pode se agarrar a uma molécula específica. A ligação com esta molécula controla se o RNAm será traduzido para formar uma proteína. A molécula pode ser um nutriente que se liga a um riboswitch do RNAm e que faz com que o RNAm seja traduzido para produzir uma proteína que decomponha esse nutriente. Portanto, os RNAm que contêm riboswitches podem se autorregular em resposta a moléculas específicas. Anteriormente, pensava-se que apenas as proteínas podiam regular a produção de proteínas a partir do RNAm; no entanto, os riboswitches sugerem que um sistema de regulação pode ter existido em um mundo do RNA muito antes de as proteínas existirem.

RNA de direcionamento de proteínas

Uma imagem tridimensional que mostra um ribossomo espiral verde com um cordão azul identificado como RNA mensageiro passando por ele. Próximo ao ribossomo há uma estrutura roxa em espiral identificada como PRS, e na base do ribossomo, no local em que ele está em contato com a PRS, há a identificação sinal da proteína.
A PRS se liga ao sinal da proteína amarelo que emerge do ribossomo. (Imagem cortesia de Janet Iwasa).
Nossas células contêm uma máquina de direcionamento de proteínas, feita de RNA e proteínas, que envia proteínas recém-criadas para onde elas são necessárias na célula. Essa máquina é chamada de partícula de reconhecimento de sinal (PRS).
A PRS procura proteínas que estão sendo produzidas na máquina de montagem de proteínas de uma célula (o ribossomo). Ao detectar o início de uma proteína saindo do ribossomo, a PRS se liga a essa proteína. O ribossomo, então, interrompe a produção proteica enquanto a PRS leva o ribossomo e sua proteína parcialmente construída para onde ela é necessária na célula. Quando chegam, a PRS é liberada e a síntese proteica recomeça.
O RNA na PRS é encontrado em todos os seres vivos, o que sugere que ele evoluiu nas primeiras formas de vida. Quando as primeiras proteínas surgiram na Terra, uma versão inicial desse RNA de direcionamento de proteínas pode ter ajudado a organizar as proteínas de uma célula. Ele pode ter aprimorado as células originais ao direcionar as proteínas para a formação de um citoesqueleto. Um citoesqueleto ajuda uma célula a manter sua forma e funciona como um sistema de rodovias para transportar moléculas ao redor de uma célula.

RNA de manipulação genética

Uma imagem de uma fita de RNA mensageiro com 3 spliceossomos removendo seções indesejadas de RNA.
Os spliceossomos retiram três seções indesejadas do RNAm (mostradas em verde) de uma fita de RNAm (Imagem cortesia do Cold Spring Harbor Laboratory, DNA Learning Center)
Um RNA mensageiro (RNAm) pode ser recombinado de diferentes maneiras de modo que seu código genético possa ser traduzido para formar muitas proteínas diferentes. A capacidade de produzir mais de uma proteína a partir de um RNAm acelerou a evolução da vida multicelular.
O RNAm recém-formado é emendado por uma máquina molecular chamada spliceossomo, que é uma espécie de tesoura e cola da célula. Composta de RNAs e proteínas, esta máquina corta seções indesejadas do código do RNAm e cola o RNAm restante novamente, criando um RNAm maduro que pode ser traduzido para produzir uma proteína.

Um gene, muitas proteínas

Na década de 1970, os cientistas acreditavam que um gene codificava um RNAm, que por sua vez codificava uma proteína. Isso é amplamente verdadeiro para bactérias e outras formas de vida unicelulares. Entretanto, para a vida multicelular, um gene codifica um RNAm que pode ser emendado de maneiras diferentes para criar muitas proteínas diferentes. Isso é chamado de splicing alternativo.
O splicing alternativo é uma maneira engenhosa de criar uma gama diversificada de proteínas a partir de um número relativamente pequeno de genes. Uma das surpresas do Projeto Genoma Humano foi que o genoma humano codifica poucos genes. Os cientistas previam que haveria cerca de 100.000 genes humanos, mas o número está próximo de 20.000. Esses genes são emendados de maneiras diferentes para criar um grande número de proteínas humanas.

Acelerando a evolução

A chegada do splicing alternativo em formas de vida multicelulares provavelmente acelerou a evolução. Isso significava que um organismo poderia criar novas proteínas sem passar pelo longo processo de desenvolvimento de novos genes. Mutações fortuitas teriam surgido, e feito com que RNAs mensageiros existentes fossem emendados de maneiras diferentes. Esses RNAm que passaram pelo splicing alternativo codificaram proteínas totalmente novas que podem ter conduzido processos celulares totalmente novos, impulsionando a evolução da vida complexa.

RNA de desenvolvimento do crescimento celular

Uma imagem de um ovo de mosca com a extremidade esquerda manchada de azul.
RNA de bicoid pigmentado de azul em um ovo de mosca-das-frutas (drosófila). O RNA de bicoid encontra-se no final do ovo, que se transforma na cabeça da mosca. (Imagem cortesia de Stephen Small, da Universidade de Nova Iorque)
As máquinas de RNA provavelmente foram essenciais para o salto evolutivo das formas de vida unicelulares para as multicelulares.
A vida de seres multicelulares começa com um único ovo fertilizado. Esta célula se divide em duas células, que se dividem novamente... e assim por diante. Logo, as células dessa forma de vida em desenvolvimento começam a exercer diferentes funções. Em uma planta, elas podem se tornar células da folha ou células da raiz. Em um animal, elas podem se tornar células sanguíneas ou células nervosas. Existem cerca de 200 tipos diferentes de células em um ser humano, e é essencial que cada uma seja formada no lugar certo e na hora certa em um embrião humano. O que uma célula se torna é determinado pelas máquinas moleculares—RNAs e proteínas— que operam nessa célula. E estes RNAs e proteínas que estão presentes em uma célula são determinados por fatores de transcrição que ativam e desativam genes.

Informando das cabeças às caudas

Obtemos pistas sobre as máquinas moleculares que podem ter impulsionado o salto para a vida multicelular estudando como os embriões se desenvolvem nos organismos hoje em dia. Uma das criaturas favoritas dos biólogos do desenvolvimento é a mosca-das-frutas. E um RNA importante no desenvolvimento da mosca-das-frutas é chamado bicoid. Ele desempenha um papel vital na organização do plano corporal de uma mosca-das-frutas em desenvolvimento. Em um ovo de mosca-das-fruta não fertilizado, o RNA do bicoid encontra-se no final do ovo, que se transformará na cabeça da mosca. Assim que o ovo é fertilizado, o RNAm do bicoid é traduzido para formar uma proteína. A proteína do bicoid ativa os genes que produzem as proteínas que formam cabeças e desativa os genes que produzem as proteínas que formam as caudas. Assim, o bicoid diz aos embriões de mosca-das-frutas exatamente onde fazer a cabeça.

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