Construindo o esqueleto do uracila em lagoas primitivas nas origens da vida: carbamoilação do ácido aspártico

Mar 16, 2024

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 19178 (2022) Citar este artigo

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Um grande conjunto de nucleobases e aminoácidos é encontrado em meteoritos, o que implica que vários reservatórios químicos estão presentes no sistema solar. A hipótese da “continuidade geoquímica” explora como as vias protometabólicas se desenvolveram a partir dos chamados “tijolos” num mundo prebiótico livre de enzimas e como afectaram as origens da vida. Na célula viva, a segunda etapa da síntese de monômeros de RNA de uridina e citidina é a transferência de carbamoil de um doador de carbamoil para ácido aspártico. Aqui comparamos dois cenários livres de enzimas: cenários de superfície aquosa e mineral em uma faixa térmica de até 250 °C. Ambos os processos poderiam ter acontecido em lagoas sob atmosfera aberta na Terra primitiva. A carbamoilação de ácido aspártico com cianato em soluções aquosas a 25 °C proporciona elevados rendimentos de ácido N-carbamoil aspártico em 16 horas. É importante ressaltar que, embora várias moléculas possam ser agentes carbamoilantes eficientes de acordo com a termodinâmica, a cinética desempenha um papel determinante na seleção de vias prebioticamente possíveis.

A questão do surgimento das primeiras formas de vida, das quais nada sabemos e que, no entanto, são descendentes darwinistas, pode ser abordada do ponto de vista da transição do inerte para o vivo. A hipótese da “continuidade geoquímica”1 afirma que, em algum momento durante a evolução da vida, partes-chave das vias metabólicas recapitularam reações que anteriormente ocorriam num ambiente não biológico. É ao mesmo tempo parcimonioso e falsificável, e também compatível com a ideia de que a vida se desenvolveu num processo contínuo e não como um “acidente estranho”. Além disso, as vias protometabólicas de precursores simples e abundantes podem reabastecer continuamente os blocos de construção bioquímicos, evitando o problema de esgotamento encontrado nos cenários de entrega exógena2,3. Nesta hipótese, as estruturas definidoras da vida (metabolismo, informação, compartimentos) podem ter sido iniciadas ao longo dos mesmos caminhos gerais, mas com outras alternativas de controle cinético (inorgânico, inclusive heterogêneo, catálise) e termodinâmico (energia livre emitida a partir de flutuações ambientais macroscópicas). ) do que aqueles que observamos hoje em organismos4,5.

Nesta linha de pensamento, estamos explorando uma sequência metabólica típica da biossíntese de nucleotídeos, a síntese de novo de pirimidinas (via do orotato), com o objetivo de transpô-la para um ambiente abiótico. A biossíntese não enzimática de pirimidinas tem sido objeto de muito interesse ultimamente, seja através de tentativas de transposição da via do orotato6, seja através de vias alternativas envolvendo diferentes precursores7. Em publicação anterior, consideramos o potencial prebiótico do carbamoil fosfato, um agente carbamoilante ativado utilizado no início dessa via bioquímica. No presente, nos concentramos na formação do ácido N-carbamoil-aspártico (NCA), o precursor de 7 átomos da estrutura do uracil.

O NCA, também chamado de ácido ureidosuccínico8, existe em todas as espécies vivas, desde bactérias até eucariotos. O NCA está presente no citoplasma, bem como nas excreções (saliva) e nos órgãos (próstata). É sintetizado a partir de carbamoil fosfato e ácido L-aspártico através da ação da enzima aspartato carbamoiltransferase (ATCase)9. Por desempenhar papel fundamental no metabolismo do aspartato e da pirimidina, está envolvido em diversas disfunções, como a doença de Canavan e a deficiência de dihidropirimidinase10.

Após uma etapa adicional de ciclização, o NCA forma o esqueleto central do ácido orótico , o precursor do uracil 5,13,14 (Fig. 1), portanto, é um importante alvo prebiótico para verificar se a hipótese de continuidade geoquímica é válida.

Biossíntese atual de pirimidina in vivo ao longo da via do orotato. A etapa estudada aqui está em caixa.

Em trabalhos anteriores, mostramos que o carbamoil fosfato (CP) é bastante instável sob condições prebióticas, mas produz duas outras moléculas que ainda contêm a porção carbamoil rica em energia: cianato e ureia. É, portanto, improvável que a própria CP estivesse envolvida numa via de carbamoilação prebiótica. No entanto, o potencial dos compostos do tipo cianato e ureia como agentes carbamoilantes alternativos merece ser explorado. Compostos semelhantes ao cianato e à ureia podem ser produzidos por diversas vias em ambientes prebióticos, ao contrário do carbamoil fosfato . Portanto, primeiro investigamos a síntese de NCA através da reação entre cianato e ácido L-aspártico sob condições aquosas alcalinas. Em seguida, também avaliamos cenários de superfície mineral envolvendo etapas de secagem, a fim de testar as previsões da hipótese de continuidade geoquímica, incluindo a ideia de que catalisadores minerais podem imitar o papel das enzimas (Fig. 2).