Uma das maiores questões da ciência é como a vida surgiu na Terra. Os pesquisadores geralmente acreditam que o surgimento dos primeiros biopolímeros e seus blocos de construção marcou um passo fundamental na origem da vida (OoL). No entanto, os cientistas ainda não sabem como é que as coleções pré-históricas de produtos químicos inertes (gases) se transformaram nos primeiros sistemas vivos.
O mistério permanece indescritível porque a sequência completa de eventos que levam à vida não pode ser observada diretamente e é extremamente difícil de recriar. Ao longo do século passado, os cientistas propuseram muitas hipóteses, a maioria das quais se concentra na evolução química que ocorre na Terra ou no espaço. No entanto, cada explicação tem limitações e muitas vezes depende de resultados experimentais específicos e/ou pressupostos teóricos.
Alguns modelos bem conhecidos tentam explicar o OoL químico (terrestre), incluindo o primeiro mundo metabólico (mundo FeS), mundo do zinco, mundo tioéster, mundo RNA e mundo lipídico. Embora cada um forneça informações valiosas, nenhum explica completamente como a vida surge da matéria inanimada. Nenhuma teoria pode integrar com sucesso todos os aspectos do processo num cenário unificado e convincente.
Uma nova estrutura construída em torno de nanozimas
Para responder a este desafio, o professor Jin Yongdong, da Escola de Engenharia Biomédica da Universidade de Shenzhen, na China, propôs a “Hipótese das Nanozimas” de OoL na Terra.
Esta hipótese sugere que as nanozimas minerais naturais originais (MN-zimas) e, posteriormente, as nanozimas híbridas orgânicas de pequenas moléculas desempenharam um papel central no surgimento e evolução da vida. De acordo com esta ideia, estes materiais foram particularmente importantes durante as primeiras fases do desenvolvimento da vida, ajudando a gerar as primeiras moléculas biologicamente relevantes a partir de matéria inanimada.
Nas condições primitivas da Terra, as enzimas MN podem ter transformado gradualmente produtos químicos inertes pré-históricos (gases) em moléculas cada vez mais complexas através de uma combinação de processos químicos (e físicos). Os autores propõem que esta transformação ocorre principalmente através de um processo descrito como “fotossíntese inorgânica”.
Múltiplos papéis na evolução química inicial
A hipótese das nanozimas confere algumas funções importantes às enzimas MN naturais. Estes incluem (a) catálise, (b) ligação/confinamento de superfície, (c) resistência à irradiação UV, (d) seleção (foto) e (e) gerenciamento de fluxo de energia.
Ao exercer estes efeitos, as enzimas MN podem ter influenciado as primeiras reações químicas que exploram fontes naturais de energia, como luz, calor e eletricidade. Esta hipótese sugere ainda que ajudam a converter energia em informação molecular armazenada em moléculas (e entidades) que podem ser lidas, escritas e copiadas. Essa habilidade é considerada um pré-requisito necessário para o surgimento dos sistemas vivos.
A Terra é um enorme laboratório natural
Esta hipótese sustenta que a própria Terra foi capaz de dar origem gradualmente ao mundo orgânico a partir de um ambiente inicialmente inteiramente inorgânico sob duras condições primitivas, uma ideia que é amplamente consistente com os primeiros conceitos de abiogênese.
Neste contexto, a Terra funcionou durante muito tempo como um laboratório químico natural “tudo-em-um”. Os gradientes naturais de pressão e temperatura em toda a Terra (do manto à crosta), especialmente perto de vulcões ativos e fontes termais geotérmicas, podem fornecer condições ideais para reações de lava de alta temperatura/alta pressão e reações hidrotérmicas.
Esses ambientes podem ter produzido as primeiras enzimas MN, incluindo metal/metal nobre, óxido metálico e nanopartículas de sulfeto. Notavelmente, métodos semelhantes são agora amplamente utilizados em laboratórios para sintetizar nanozimas artificiais.
Ao longo de milhares de milhões de anos, esta coleção primitiva de enzimas MN pode ter evoluído lentamente, auto-renovado e tornado-se cada vez mais complexo. Alguns podem até ter sido integrados em organismos vivos. Segundo esta hipótese, este processo promoveu a evolução mineral e mudanças ambientais graduais, melhorando as condições de sobrevivência e desenvolvimento de moléculas prebióticas e de vida primitiva.
As abundantes nanopartículas minerais da Terra
As nanopartículas minerais já estão amplamente presentes no ambiente natural da Terra. Existem milhares de mapas topográficos (Tg) por ano (1 Tg = 1012 g) Essas partículas circulam pelo ecossistema. Algumas têm atividade natural semelhante a uma enzima e, portanto, são classificadas como enzimas MN.
Essas substâncias são encontradas nos oceanos, nas águas, na atmosfera e no solo e desempenham papéis importantes nos ciclos biogeoquímicos ambientais.
Descobertas recentes também sugerem que a natureza pode produzir enzimas MN mais rapidamente do que se pensava anteriormente. A pesquisa mostra que os nanomatais podem se formar espontaneamente através de minerais naturais em gotículas de água carregadas ou por intemperismo sob luz ultravioleta. A luz solar e os raios poderiam fornecer ainda as condições fotocatalíticas e eletrocatalíticas necessárias para apoiar a produção em larga escala de nanozimas originais e, posteriormente, de nanozimas híbridas orgânicas, bem como um suprimento abundante de moléculas prebióticas na superfície da Terra.
Proposta “Au Mundo”
Um aspecto particularmente digno de nota desta hipótese envolve nanopartículas de ouro protegidas por monocamada (AuNPs).
Os autores sugerem que essas partículas podem estar entre as nanozimas mais eficientes e podem ter desempenhado um papel central na evolução das nanozimas durante o OoL da Terra. Ele chama esse conceito de “Au World”.
Embora as nanopartículas de ouro sejam agora geralmente consideradas nanozimas artificiais, esta hipótese sugere que elas são geologicamente plausíveis sob uma variedade de condições naturais da Terra.
Nanopartículas de ouro livres podem ser difíceis de estabilizar na sopa primordial, pois muitas vezes requerem revestimentos superficiais orgânicos. No entanto, uma vez que pequenas moléculas como tióis e aminas (por outras enzimas MN) são produzidas e acumuladas em certos locais, as AuNPs podem persistir como uma monocamada protegida (tiol/amina). Dessa forma, podem participar de uma rede mais ampla de reações que facilitam o surgimento da vida.
Quatro condições principais para moléculas de vida
Para explicar melhor como as moléculas vivas são naturalmente selecionadas e estabilizadas, os autores identificam 4 elementos e condições básicas relevantes para o OoL na Terra:
- Ciclo úmido-seco e anfifilicidade
- Automontagem e auto-organização
- Atividade catalítica e pró-enzimática
- Simbiose e estabilidade de pares
Juntos, esses fatores são considerados requisitos fundamentais para a sobrevivência e evolução de moléculas relacionadas ao início da vida.
Olhando para o futuro
Esta revisão vai além do escopo das próprias nanozimas e explora várias outras questões importantes relacionadas à OoL na Terra. Estes incluem o paradoxo da água, a importância das micro e nanoestruturas na superfície da Terra e as propriedades físico-químicas únicas da água e do ambiente do ciclo húmido-seco que podem ter influenciado a química da origem da vida.
Os autores também discutem a cooperação molecular e a coevolução nos primeiros estágios da vida, bem como outras perspectivas físicas sobre OoL, incluindo ideias relacionadas à origem da quiralidade em biomoléculas.
Em última análise, a hipótese das nanozimas visa fornecer uma estrutura mais ampla que possa ajudar a reconciliar divergências de longa data entre teorias concorrentes sobre a origem da vida. Os autores esperam que este estudo lance nova luz sobre um dos mistérios mais duradouros da ciência, ao mesmo tempo que encoraja novas pesquisas sobre o papel que as nanozimas podem ter desempenhado no surgimento da vida na Terra.
