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Cenário Evolutivo de Moléculas Pré-Bióticas
X Salão de
Iniciação Científica
PUCRS
Guy Barros Barcellos1, Rafael Andrade Caceres1,2, Walter Filgueira de Azevedo Jr.1,2 (orientador)
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Faculdade de Biociências, PUCRS
PPG de Medicina e Ciências da Saúde, PUCRS
Resumo
O arcano fenômeno que originou a vida foi, em parte, elucidado por Stanley Miller e
Harold Urey em 1953. Neste experimento clássico foi demonstrado que compostos simples,
como CH4, NH3, H2, N2, CO2 e H2O, submetidos a descargas elétricas em uma simulação de
uma atmosfera redutora, como se supunha na época, seriam capazes de formar aminoácidos.
Este notável experimento pavimentou as vias para o desenvolvimento de pesquisas acerca de
moléculas da vida primeva. Através de simulações de dinâmica molecular considerando
condições vulcânicas, analisamos a estabilidade estrutural de peptídeos constituídos por
resíduos de aminoácidos hidrofóbicos e carregados comuns na terra pré-biótica e seus
variantes gerados a partir de mutações sítio-específicas. O resultado de tais análises propicia o
estabelecimento de possíveis cenários para a emergência das moléculas orgânicas e suas
funções biológicas.
Introdução
Charles Darwin teve um insight acertado sobre as origens da vida, como demonstrado
pelo seguinte trecho de uma carta enviada a um amigo: “Se pudermos conceber que em
alguma poça d’água morna, com toda sorte de sais de amônia e fósforo, luz, calor e
eletricidade, um composto protéico foi quimicamente formado, apto a passar por processos
ainda mais complexos, hoje em dia, tal matéria seria instantaneamente devorada e absorvida,
o que não teria sido o caso antes das criaturas vivas terem se formado.” Neste parágrafo
profético, é notável como Darwin ensaia a evolução química, que precedeu a própria evolução
biológica. O experimento de Miller-Urey corrobora a proposição de Darwin, sugerindo que a
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“poça d’água morna” possa ser um cenário plausível para a gênese da vida (Johnson et al,
2008), seja ela como for.
Sob o ponto de vista químico, a vida pode ser definida como um sistema aberto capaz
de auto-replicação, que pode estar submetido a um processo de evolução darwiniana (Clancy
et al, 2005). Em analogia com as moléculas orgânicas atuais, já que a vida terrestre é a única
referência que possuímos, acredita-se que as moléculas primordiais eram esqueletos de C
flanqueados por átomos de H, O, N e S, difusos em um meio líquido. Visto que o registro
fóssil destes acontecimentos foi apagado pelo tectonismo, a verdadeira natureza destas
moléculas é desconhecida. Possivelmente, aminoácidos estavam presentes na terra primeva,
produzidos sob condições atmosféricas primitivas em orifícios hidrotermais ou, até mesmo,
vindos de asteróides (Brack, 2007).
O objetivo deste trabalho consiste em avaliar a estabilidade de peptídeos pré-bióticos,
através de ferramentas de bioinformática estrutural. Caracterizando as condições ambientais e
as possíveis funções biológicas dos peptídeos primitivos, poderemos compreender parte da
evolução química que culminou na emergência da vida.
Metodologia
Há uma escola de pesquisadores que utiliza modelos computacionais (simulação in
silico) para estudos sobre as origens da vida (Kauffman, 1993). Para avaliarmos o
comportamento dinâmico dos peptídeos em solução, utilizaremos o método de simulação por
dinâmica molecular, implementado no pacote de programas GROMACS versão 3.3.1
(Berendsen et al., 1995; Lindahl et al., 2001), disponível como freeware sob licença GNU
(General Public License).
As simulações dos peptídeos serão realizadas em água (modelo SPC/E), utilizando-se
as estruturas geradas através do programa PEPBUILD (Canutescu et al, 2003) como modelos
iniciais. Os peptídeos serão centrados em uma caixa cúbica com uma distância mínima de 10
Å em relação as suas faces e, posteriormente, solvatados e submetidos a uma minimização de
energia inicial através de um algoritmo de gradiente conjugado.
Objetivando acomodar as moléculas do solvente nas reentrâncias do peptídeo, será
realizada uma pequena dinâmica molecular com restrição de todos os átomos. O sistema será
lentamente aquecido até que se atinja a temperatura de 300 K. Simulações da ordem de 10ns
(10. 10-9s), com passos de 2fs (2. 10-15 s), serão aplicadas a todos os sistemas.
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Resultados e Discussão
Na terra pré-biótica, aminoácidos carregados e hidrofóbicos, provavelmente, estavam
disponíveis (Miller, 1953; Mattheus & Moser, 1967) e as maiores fontes de energia eram
radiação UV, descargas elétricas e aquecimento vulcânico (Kobayashi et al, 2001). Nesse
ambiente, aminoácidos formados em ilhas vulcânicas podem ter-se acumulado em regiões de
maré onde seriam polimerizados por sulfeto de carbonila (um gás vulcânico) (Leman et al,
2004).
López de la Osa e colaboradores (2007) determinaram a estrutura e estabilidade do
peptídeo KIA7, um peptídeo de 20 resíduos de aminoácidos formado majoritariamente por
Lys (K), Ile (I) e Ala (A), a fim de responder se proteínas poderiam ser formadas a partir de
um grupo limitado de aminoácidos. A estrutura do KIA7 e suas variantes possuem um arranjo
helicoidal. Partindo dos dados obtidos no estudo acima referido, peptídeos KIA (figura 1)
foram desenhados através de mutações em resíduos específicos, levando-se em consideração
o experimento Miller-Urey alternativo, que simula condições vulcânicas, injetando vapor na
centelha, (Johnson et al, 2008) e uma atmosfera menos redutora do que o experimento
original. Somente os resíduos encontrados no experimento Miller-Urey vulcânico em uma
taxa molar mínima de 10-4 moles foram considerados. No estudo de dinâmica molecular, a
estabilidade destes peptídeos será avaliada, de forma a podermos sugerir quais teriam sido as
condições ambientais determinantes para a conversão de moléculas inorgânicas em orgânicas
e, posteriormente, sua evolução para biomoléculas ativas.
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Figura 1 Representação gráfica da estrutura terciária e da superfície de contato do peptídeo KIA7 vulcânico.
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