Novas especulações sobre a origem da vida

Cerca de 3,9 bilhões de anos atrás, uma mudança na órbita dos planetas enviou uma onda de grandes cometas e asteroides para o interior do sistema solar. Os violentos impactos causaram grandes crateras ainda visíveis na face da Lua, e a superfície aquecida da Terra coberta por rochas derretidas e oceanos formaram uma névoa incandescente. No entanto, as rochas que se formaram na Terra há 3,8 bilhões de anos, quase tão rapidamente quanto o bombardeio parou, contêm possíveis evidências de processos biológicos. Se a vida pôde surgir a partir da matéria inorgânica de modo rápido e fácil, por que não é abundante no sistema solar e além dele? Se a biologia é uma propriedade intrínseca da matéria, por que os químicos não são capazes de reconstruir a vida? As origens da vida na Terra são cercadas de enigmas e paradoxos. O que veio primeiro, as proteínas de células vivas ou a informação genética para fazê-las? Como o metabolismo dos seres vivos poderia começar sem uma membrana de revestimento para manter os elementos químicos juntos? Mas se a vida começou dentro de uma membrana celular, como os nutrientes entrariam na célula? As perguntas podem parecer irrelevantes, já que a vida começou de alguma forma. Mas para o pequeno grupo de pesquisadores que insistem em aprender exatamente como tudo começou, a frustração tem sido abundante. Anos de esforços, às vezes promissores, podem ter sido desperdiçados. Cientistas como Francis Crick, principal teórico da biologia molecular, sugeriu com entusiasmo que a vida pode ter se formado em outro lugar antes da formação do planeta. Entretanto, nos últimos anos, quatro avanços surpreendentes renovaram a confiança de que a origem da vida foi na Terra. Um deles é uma série de descobertas sobre como as estruturas celulares poderiam ter se formado naturalmente a partir de produtos químicos (ácidos graxos), Tradução de Noraly Shawen Liou provavelmente presentes na Terra primitiva. Esta questão surgiu de uma longa discussão entre três colegas para saber se foi o sistema genético ou a membrana celular que iniciou o desenvolvimento da vida. Eles finalmente concordaram que a genética e as membranas tiveram que evoluir juntas. Os três pesquisadores, Jack W. Szostak, David P. Bartel e P. Luigi Luisi, publicaram uma nota em 2001, declarando que para fazer uma célula sintética é necessário obter uma protocélula e uma molécula de DNA que desenvolvam juntas, sendo a molécula, encapsulada pela célula. Se as moléculas da célula fornecessem uma vantagem sobre as outras células, o resultado seria "uma forma sustentável, um sistema de replicação autônomo, de acordo com o que a evolução darwiniana determinaria", escreveram eles. "Seria realmente uma vida", acrescentaram eles. Um dos autores, Dr. Szostak, do Hospital Geral de Massachusetts, conseguiu avançar consideravelmente em suas pesquisas. Simples ácidos graxos, que existiam na Terra primitiva, espontaneamente formariam esferas de camada dupla, assim como a dupla membrana das células vivas de hoje. Essas protocélulas incorporariam novos ácidos e eventualmente se dividiriam. As células vivas geralmente são impermeáveis e possuem mecanismos elaborados para admitir apenas os nutrientes que necessitam. Mas o Dr. Szostak e seus colegas mostraram que pequenas moléculas podem entrar facilmente nas protocélulas. No entanto, se elas se combinarem em moléculas maiores, elas não conseguem sair. Se uma protocélula encapsular um pequeno pedaço de DNA e for “alimentada” com nucleotídeos, estes irão espontaneamente entrar na protocélula e ligar-se à ela ou a outras moléculas de DNA. Em um simpósio sobre Evolução realizado no Cold Spring Harbor Laboratory, em Long Island, o Dr. Szostak disse estar "otimista sobre a obtenção de um sistema de replicação químico" dentro de uma protocélula. Ele espera integrar o sistema de replicação de ácidos nucleicos com a divisão das protocélulas. Os experimentos de Szostak chegaram perto de criar uma divisão celular espontânea a partir de elementos químicos que provavelmente existiram na Terra primitiva. Mas alguns de seus ingredientes, como os nucleotídeos dos ácidos Tradução de Noraly Shawen Liou nucleicos, são muito complexos. Os químicos que estudam a química da vida em condições pré-bióticas, não encontraram uma forma para explicar como os nucleotídeos surgiram. Os nucleotídeos, constituídos por uma molécula de açúcar, como a ribose ou desoxirribose, em uma extremidade são unidos a uma base nitrogenada e na outra ao grupo fosfato. Os químicos pré-bióticos descobriram facilmente como adenina forma substâncias químicas simples, como o cianeto de hidrogênio, mas se frustram quando a adenina se mostra incapaz de se ligar naturalmente à ribose. John Sutherland, químico da Universidade de Manchester, na Inglaterra, relatou, na revista Nature, a descoberta de um caminho inesperado para a síntese de nucleotídeos a partir de elementos químicos pré-bióticos. Em vez de colocar a base e o açúcar separadamente das demais substâncias químicas que possam ter existido na Terra primitiva, o Dr. Sutherland mostrou como, em condições adequadas, a base e o açúcar poderiam constituir uma única unidade, e portanto, não precisariam estar ligados. Artigo relacionado: http://www.nature.com/news/2009/090612/full/news.2009.563.

NOVOS CONCEITOS DE REINOS DOS ORGANISMOS

Existem aqueles que consideram desprovidas de interesse as discussões sobre questões sem respostas inequívocas, experimentalmente comprovadas. Esse sentimento junto com o conservadorismo deve ser o responsável pela longa e incontestável dominância do sistema de classificação em dois reinos. Minha proposta é discutir o mérito de dois outros sistemas de classificação: o de Copeland (1956) e o de Whittaker (1959). Sistema de Dois Reinos O homem é terrestre e vê ao seu redor dois grandes grupos de organismos com diferentes adaptações para alimentação nesse meio – as plantas superiores, fotossintetizantes, e os animais superiores, que ingerem alimentos. Esses dois grupos são tão distintos quanto ao seu modo de vida e organização corporal que um conceito dicotômico é inevitável. Os conceitos de Reino Animal e Vegetal foram desenvolvidos pelos primeiros naturalistas sendo utilizados no sistema formal de classificação dos seres vivos desde Lineus. Musgos, liquens e algas macroscópicas aproximam-se claramente das plantas no seu modo de vida fotossintetizante e sedentário e foram então agrupadas com as plantas terrestres. Os fungos são sésseis e sua aparente capacidade de enraizar lembrava plantas. Pareceu então razoável designá-los parte do Reino das Plantas. Já a diversidade de vida unicelular desvendada pelo microscópio apresentou mais dificuldade. Algumas formas móveis e que se alimentam por ingestão foram, por isso mesmo, vistas como animais unicelulares ou protozoários. Outras, sésseis e fotossintetizantes, como plantas unicelulares. No entanto, restavam ainda muitos organismos nos quais características como imobilidade e mobilidade por flagelo ou pseudópodes, a capacidade de realizar fotossíntese e a de ingerir ou absorver nutrientes encontravam-se combinadas de diversas formas tornando difícil a separação dos organismos em Planta ou Animal. Também havia o caso das bactérias que podiam ser fotossintetizantes e móveis e que foram consideradas plantas por apresentarem parede celular. Os Reinos Animal e Vegetal nasceram de um processo em que organismos foram organizados em torno dos conceitos nucleares de planta e animal, derivados dos organismos superiores terrestres. Ficou reconhecido que o sistema de dois reinos apresentava problemas para tratar de organismos unicelulares, sendo que alguns desses grupos eram reivindicados tanto por botânicos quanto por zoólogos. O sistema parecia, no entanto, uma forma razoável de lidar com os seres vivos em duas direções evolutivas. Com o tempo o sistema pareceu não mais ser satisfatório e foram aparecendo novas propostas de classificação conforme as limitações do sistema tornavam-se mais evidentes. Limitação do sistema de Dois Reinos - Os protistas A limitação mais evidente do sistema é aquela relativa a organismos, dentre os unicelulares, que combinam características de plantas e animais. Devido à dificuldade de se separar de forma segura esses organismos em Planta ou Animal, diversos autores propuseram um terceiro reino de organismos primitivos. Hogg propôs para esses organismos o Regnum Primigenum e o termo “Protoctista”. Haeckel propôs o Reino “Protista” que seria composto apenas de organismos unicelulares. Embora a definição desse terceiro reino de organismos primitivos e o uso de “Protoctista” e “Protista” tenha variado, duas linhas principais podem ser apontadas. Ou esse reino compreende apenas os organismos unicelulares (incluindo os que formam colônias), como o Reino de Haeckel, ou inclui, além dos organismos unicelulares, organismos aos quais falta o tipo e o grau de diferenciação tecidual de animais e vegetais superiores, como fungos e a maioria ou todas as algas (Reino Protoctista de Hogg e Copeland). Diferentes interpretações podem ser dadas a Protista baseando-se no trabalho do próprio Haeckel. Protistas são concebidos como organismos unicelulares e como organismos que não formam tecidos verdadeiros. A eles são contrapostos os organismos com tecido verdadeiro do reino Histonia que inclui Metaphyta e Metazoa. Dessa divisão em organismos unicelulares e organismos com tecidos verdadeiros nasceu outra limitação. Esses reinos excluem um grupo intermediário formado por organismos que não apresentam uma diferenciação tecidual verdadeira, mas que são claramente multicelulares ou multinucleados como indicado pela diferenciação celular ou pela interdependência (esponjas); ou diferenciação somática de órgãos (algas superiores e musgos). Sugiro então que o Reino Protista reúna organismos que são unicelulares (coloniais ou não) que não formam tecidos. O reino alternativo, Protoctista, será concebido, como foi por Copeland, como um reino com organismos unicelulares, multicelulares ou multinucleados que não apresentam diferenciação tecidual, incluindo algas e fungos superiores. Sistema de Quatro Reinos de Copeland Os reinos definidos por Copeland são: 1) Reino Monera: organismos procariontes, unicelulares ou de organização colonial simples (bactérias e algas azuis); 2) Reino Protoctista (ou Protista para alguns): organismos eucariontes basais, podendo ser unicelulares, unicelulares coloniais, sinciciais ou multicelulares sem diferenciação de tecidos (algas, protozoários, e fungos); 3) Reino Metaphyta ou Embryophyta: eucariontes superiores, multicelulares com parede celular e plastos verdes, com tecidos verdadeiros. 4) Reino Metazoa eucariontes superiores, multicelulares, sem parede celular ou plastos; a maioria apresenta cavidade digestiva interna, movimentação por meio de fibras contrácteis, além de diferenciação avançada de células, tecidos e órgãos; passam no seu desenvolvimento pelos estágios de blástula e gástrula, são predadores típicos, e atingem alto nível de complexidade estrutural e funcional. Limitações do sistema de Copeland 1) Das três maiores formas de alimentação duas — fotossíntese e ingestão — dão um sentido evolutivo aos reinos das plantas e animais superiores. O terceiro — absorção — é ligado aos fungos superiores, mas não define uma posição certa; o modelo evolutivo desses organismos também não foi esclarecido. 2) O reino Protoctista perde em unidade e clareza de definição em relação aos três outros reinos. A forma de organização dos protistas é tão variada que esse reino mais parece uma confederação unindo todos os excluídos de Monera, plantas terrestres e animais multicelulares. Os filos definidos por Copeland dentro do Reino Protoctista são efetivamente uma divisão dos organismos eucariontes basais em grupos de linhas evolutivas pouco definidas. Na verdade, isso não é um problema do sistema de classificação de Copeland e sim um problema ligado ao fato de considerarmos os organismos vivos passíveis de serem classificados. Não existe uma forma correta de se separar organismos eucariontes basais e superiores, existem apenas diferentes formas com diferentes dificuldades. Sistema de Cinco Reinos Uma resposta diferente ao problema do sistema de quatro reinos é possível. Nesta solução: 1) fungos seriam aceitos como um terceiro grupo de organismos superiores, como as plantas e animais; 2) a linha divisória entre esses organismos e os protistas seria a transição da organização unicelular para a multicelular ou multinuclear; 3) as algas superiores seriam então incluídas no reino das plantas junto com as plantas superiores. Originalmente considerei Monera um sub-reino de Protista, mas hoje considero preferível uma separação total entre Monera e os protistas eucariontes. Os cinco reinos seriam: Monera, Protista, Fungi, Plantae e Animalia Escolhi como base para classificação, os três níveis de organização celular (procariótica (MONERA), eucariótica unicelular (PROTISTA) e eucariótica multicelular ou multinucleada. Para os multicelulares ou multinucleados, considerei três principais linhas evolutivas ligadas à nutrição, que expressam as divergências evolutivas entre os três reinos superiores: absorção para os fungos; fotossíntese para as plantas e ingestão para os animais. Limitações do sistema de Cinco Reinos 1) A distinção entre organização unicelular e multicelular ou multinucleada tornou-se a linha de divisão e ponto de dificuldade. O filo Chlorophyta inclui organismos unicelulares (coloniais ou não) e multicelulares, não se adaptando assim à definição de Plantae nem à de Protista. Os fungos ameboides (mixomicetos) também não se encaixam na definição de um único reino quando consideramos sua nutrição e organização e poderiam ser considerados um fungo aberrante, um protista excêntrico ou até mesmo uma planta muito peculiar. Eu havia sugerido que a divisão considerando a organização celular era melhor conceitualmente do que a divisão pelo grau de diferenciação tecidual. No entanto, as dificuldades práticas são tão grandes, se não maiores, do que as encontradas para separar os organismos considerando o grau de diferenciação tecidual. Pode-se encontrar diferentes opiniões tanto para uma como para outra linha de divisão, todas com mérito. 2) Mesmo excluindo algas multicelulares e Fungos, Protista ainda forma um grupo com direções evolutivas muito variadas. Alguns filos dentre os Protistas encontram-se mais próximos de filos dos três outros reinos do que de outros filos dentre os próprios Protistas. Os Protistas formam um complexo com enormes variações e conexões entre diferentes linhas evolutivas, apresentando polifiletismo indubitável. Conclusão Desde os primeiros naturalistas, as propostas para correções nas formas de classificação são consequência de um novo aporte de informações no que se refere às relações evolutivas entre os organismos. Existem vantagens em se considerar sistemas de reinos concorrentes. Nenhum desses sistemas é inteiramente satisfatório mas, com o tempo, pode ser que percebamos que um deles demonstra melhor as relações entre os seres vivos. Por enquanto, os sistemas merecem ser estudados com cuidado por biólogos para que seus méritos sejam avaliados e a carga de informação neles contida utilizada ou ainda mais incrementada. Os novos sistemas também são valiosos para o ensino pelo aporte de interesse e coerência que podem trazer a uma discussão sobre diversidade biológica. Não existem respostas inequívocas à escolha de um sistema de classificação, mas a questão é digna de discussão.

"Célula artificial"

"Minha preocupação é que algumas pessoas concluirão que eles criaram uma nova forma de vida", diz Jim Collins, um bioengenheiro da Universidade de Boston. “Célula artificial”. Nicholas Wade. The New York Times. Publicado em 20 de maio de 2010. Link para o artigo original: http://www.nytimes.com/2010/05/21/science/21cell.html.

O pioneiro no estudo do genoma, Dr. J. Craig Venter, deu mais um passo em sua missão de criar a vida sintética ao sintetizar um genoma bacteriano e usá-lo dentro de uma célula. A inserção do DNA foi concebido para reproduzir a sequência genética de uma bactéria. Para testar o DNA, a equipe o inseriu em uma célula vazia de uma espécie de bactéria. Dr. Venter chama o resultado de "célula sintética" e apresentou a pesquisa como sendo um marco que abrirá caminho para criar micro-organismos úteis na produção de vacinas e biocombustíveis. Em uma conferência dada à imprensa, Dr. Venter descreveu a célula como "a primeira espécie autorreplicante do planeta cujo pai é um computador". "Este é um avanço filosófico, assim como tecnológico", disse ele, sugerindo que a "célula sintética" levanta novas questões sobre a natureza da vida. Alguns cientistas concordam que ele conseguiu uma façanha técnica ao sintetizar a maior quantidade de DNA até o momento - um milhão de pares de bases de comprimento - e em torná-la precisa o suficiente para substituir o DNA da própria célula. Outros consideram essa abordagem pouco promissora, pois pode levar anos para criar novos organismos, uma vez que já existem progressos na fabricação de biocombustíveis elaborados com a tradicional engenharia genética, pela qual os organismos são modificados geneticamente. O objetivo do Dr. Venter é, em primeiro lugar, conseguir o controle sobre o genoma de uma bactéria sintetizando seu DNA em laboratório e, em seguida, por meio da concepção de um novo genoma desprovido de suas funções naturais, equipá-lo com novos genes que possam regular a produção de produtos químicos funcionais. "A capacidade de reconstruir um genoma com suas próprias letras, inserindo diferentes genes, o torna um instrumento muito poderoso", disse Gerald Joyce, biólogo do Instituto de Pesquisa Scripps, em La Jolla, Califórnia. Em resposta ao relatório científico, o presidente Barack Obama pediu à comissão de bioética da Casa Branca para finalizar em seis meses um estudo sobre as questões suscitadas pela biologia sintética. Ele disse ainda que esse empreendimento levanta “preocupações reais", embora não as tenha especificado. Há três anos, Dr. Venter deu um primeiro passo rumo mostrando que o DNA original de uma bactéria poderia ser inserido em outra, assumindo o controle da célula hospedeira. No ano passado, sua equipe sintetizou um pedaço de DNA com 1.080 mil de pares de base de comprimento. Em relatório para o jornal Science, a equipe liderada por Daniel G. Gibson, Hamilton O. Smith e Dr. Venter, demonstrou que o DNA sintético assume o controle de uma célula bacteriana assim como o DNA original, fazendo com que a célula forme as proteínas específicas com as informações dadas pelo novo material genético. A equipe ordenou os pedaços de DNA de mil unidades de comprimento, fornecidos pela Blue Heron - uma empresa especializada na síntese de DNA - e desenvolveu uma técnica que transforma pedaços curtos em um genoma completo. O custo do projeto foi de 40 milhões de dólares, mais do que foi pago pela Synthetic Genomics, empresa fundada pelo Dr. Venter. Ele disse que tentaria o experimento com outros organismos já que a bactéria fora inadequada para a produção de biocombustíveis. A Synthetic Genomics tem um contrato com a Exxon para gerar biocombustíveis a partir de algas. A segunda, maior empresa privada de petróleo e petroquímica, está disposta a gastar até 600 milhões de dólares para que todas as suas metas sejam cumpridas. Dr. Venter disse que tentaria construir "um genoma com 50 a 60 parâmetros diferentes, viabilizando o crescimento de algas superprodutivas". Em suas viagens de iate ao redor do mundo, Dr. Venter analisou o DNA de muitos micro-organismos, principalmente de algas, e agora possui um banco de cerca de 40 milhões de genes. “Esses genes serão um recurso que permitirá às algas serem capazes de produzir substâncias químicas funcionais”, disse ele. Outros cientistas disseram que Dr. Venter não abriu novos caminhos, que ele apenas montou um grande pedaço de DNA. "Para mim, Craig exagera na importância disso", afirmou David Baltimore, geneticista do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech). Ele descreveu o resultado como "uma técnica vigorante", uma questão de escala, mas não um avanço científico. "Ele não criou a vida, só imitou", disse Dr. Baltimore. A abordagem do Dr. Venter "não é necessariamente o caminho" para a produção de micro-organismos funcionais, disse George Church, pesquisador do genoma da Harvard Medical School. Leroy Hood, do Institute for Systems Biology de Seattle, descreveu o relatório do Dr. Venter como "chamativo", mas comentou que os genes de baixo nível de expressão deveriam ser estudados antes da tentativa de fabricar um organismo inteiro. Em 2002, Eckard Wimmer, da Universidade Estadual de Nova York, em Stony Brook, sintetizou o genoma do vírus da poliomelite. Esse genoma, contendo um vírus vivo, infectava e matava camundongos. O trabalho do Dr. Venter é similar, exceto pelo fato de que o genoma do vírus da poliomielite possui somente 7.500 pares de bases de comprimento, e o genoma da bactéria é mais de 100 vezes maior. O grupo ambiental, Friends of Earth, denunciou o genoma sintético como "uma tecnologia nova e perigosa", completando que "o Sr. Venter deve parar suas pesquisas até que os regulamentos sejam decididos". O genoma sintetizado por ele é copiado de uma bactéria que infecta caprinos. Dr. Venter declarou que antes de copiar o DNA, extirpou 14 genes que poderiam ser patógenos e, mesmo que a nova bactéria escapasse, não causaria danos às cabras. Sua afirmação de que ele criara uma "célula sintética" alarmou as pessoas, que pensam que ele criou uma nova forma de vida ou uma célula artificial. "É claro que não é isso - seu ‘pai’ é uma forma de vida biológica", disse Joyce, do Instituto de Pesquisa em Biomedicina (Scripps). Dr. Venter copiou o DNA de uma espécie de bactéria e o inseriu em outra célula. A bactéria criada produziu todas as proteínas e organelas seguindo as especificações do DNA inserido. Por isso foi chamada de ‘célula artificial’. "Minha preocupação é que algumas pessoas concluirão que eles criaram uma nova forma de vida", disse Jim Collins, bioengenheiro da Universidade de Boston. "O que eles criaram é um organismo com um genoma sintetizado. Mas isso não representa a criação da vida a partir do zero ou a criação de uma nova forma de vida", afirmou ele.

 Artigos relacionados: “ ‘Artificial life’ breakthrough announced by scientists”. Victoria Gill. BBC News. May 2010. http://www.bbc.co.uk/news/10132762 “And man made life”. The Economist. May de 2010. http://www.economist.com/node/16163154