O magnetismo pode ter dado à vida sua assimetria molecular | Revista Quanta

Em 1848, quando Louis Pasteur era um jovem químico, ainda a anos de descobrir como esterilizar o leite, ele descobriu algo peculiar sobre os cristais que se formavam acidentalmente quando um químico industrial fervia vinho por muito tempo. Metade dos cristais era reconhecidamente ácido tartárico, um sal industrialmente útil que crescia naturalmente nas paredes dos barris de vinho. Os outros cristais tinham exatamente a mesma forma e simetria, mas uma face estava orientada na direção oposta.

A diferença era tão grande que Pasteur conseguiu separar os cristais sob uma lente de aumento com uma pinça. “Eles estão em relação um ao outro como uma imagem, num espelho, em relação à coisa real”, escreveu ele num artigo naquele ano.

Embora Pasteur não soubesse disso, nos resíduos cristalizados daquele vinho ele tropeçou em um dos mistérios mais profundos sobre as origens da vida na Terra.

O que ele estava vendo era uma mistura de moléculas de ácido tartárico que tinham composições atômicas idênticas e arranjos de imagens espelhadas desses átomos no espaço. Eles tinham a propriedade mais tarde chamada de “quiralidade”, em homenagem à palavra grega para “mão”: assim como nossas mãos esquerda e direita são opostas simétricas uma da outra, as versões (ou enantiômeros) canhotas e destras das moléculas de ácido tartárico são distintos e não equivalentes.

O significado da observação de Pasteur foi além da descoberta da quiralidade — havia também a notável razão pela qual ele a via. Os cristais sintéticos eram uma mistura dos enantiômeros do ácido tartárico porque o processo de fervura permitia a formação de versões para canhotos e destros em números iguais. Mas nos cristais naturais dos barris de vinho, todas as moléculas de ácido tartárico eram destras – porque as uvas utilizadas para o vinho, colhidas de vinhas vivas, produziam apenas esse enantiómero.

A quiralidade é uma assinatura da vida como a conhecemos. Repetidamente, os bioquímicos descobriram que quando as células vivas usam moléculas quirais, elas usam exclusivamente uma quiralidade. Os açúcares que constituem o DNA, por exemplo, são todos destros. Os aminoácidos que constituem as proteínas são todos canhotos. Se os enantiómeros errados entrarem nos produtos farmacêuticos, os efeitos podem por vezes ser tóxicos ou mesmo letais.

Algum acontecimento ou série de acontecimentos no início da história da vida deve ter “quebrado o espelho”, como dizem os bioquímicos, lançando a vida numa assimetria molecular. Os cientistas têm debatido por que a vida se tornou homoquiral e se isso precisava acontecer ou se foi apenas um acaso. As preferências quirais foram impressas no início da vida por amostras tendenciosas de moléculas que chegaram do espaço, ou elas de alguma forma evoluíram a partir de misturas que começaram como partes iguais de destros e canhotos?

“Os cientistas ficaram perplexos com esta observação”, disse Soumitra Athavale, professor assistente de química orgânica na Universidade da Califórnia, em Los Angeles. “Eles apresentaram todos os tipos de propostas ao longo dos anos, mas é difícil apresentar propostas que sejam realmente relevantes geologicamente.” Além disso, embora muitas teorias pudessem explicar por que um tipo de molécula poderia ter se tornado homoquiral, nenhuma delas explicou por que redes inteiras de biomoléculas o fizeram.

Recentemente, um grupo da Universidade de Harvard publicou uma série de artigos que apresentam uma solução intrigante sobre como surgiu a homoquiralidade da vida. Eles sugerem que as superfícies magnéticas dos minerais dos corpos d'água da Terra primordial, carregadas pelo campo magnético do planeta, poderiam ter servido como “agentes quirais” que atraíram algumas formas de moléculas mais do que outras, iniciando um processo que amplificou a quiralidade de moléculas biológicas, desde precursores de RNA até proteínas e muito mais. O mecanismo proposto explicaria como um viés na composição de certas moléculas poderia ter se propagado em cascata para criar uma vasta rede de química quiral que sustenta a vida.

Não é a única hipótese plausível, mas “é uma das mais legais porque liga a geofísica à geoquímica, à química prebiótica e, em última análise, à bioquímica”, disse Geraldo Joyce, bioquímico e presidente do Instituto Salk que não esteve envolvido no estudo. Ele também está impressionado com o facto de a hipótese ser apoiada por “experiências reais” e que “eles estão a fazer isto em condições realistas”.

O efeito CISS

As raízes da nova teoria sobre a homoquiralidade remontam a quase um quarto de século, quando Ron Naamã, professor de física química no Instituto Weizmann de Ciência em Israel, e sua equipe descobriram um efeito crítico das moléculas quirais. Seu trabalho se concentrou no fato de que os elétrons têm duas propriedades principais: eles carregam uma carga negativa e têm “spin”, uma propriedade quântica análoga à rotação intrínseca no sentido horário ou anti-horário. Quando as moléculas interagem com outras moléculas ou superfícies, os seus electrões podem redistribuir-se, polarizando as moléculas, criando uma carga negativa no seu destino e uma carga positiva no seu ponto de partida.

Naaman e sua equipe descobriram que as moléculas quirais filtram os elétrons com base na direção de seu spin. Elétrons com uma orientação de spin se moverão com mais eficiência através de uma molécula quiral em uma direção do que na outra. Os elétrons com spin oposto movem-se mais livremente na direção oposta.

Para entender o porquê, imagine jogar um Frisbee que bate na parede de um corredor. Se o Frisbee atingir a parede direita, ele saltará para frente apenas se estiver girando no sentido horário; caso contrário, ele irá saltar para trás. O oposto acontecerá se você acertar o Frisbee na parede esquerda. Da mesma forma, as moléculas quirais “dispersam os elétrons de acordo com sua direção de rotação”, disse Naaman. Ele e sua equipe chamaram esse fenômeno de efeito de seletividade de spin induzida por quiral (CISS).

Por causa dessa dispersão, os elétrons com um determinado spin acabam se agregando em um pólo de uma molécula quiral (e as versões destra e canhota da molécula reúnem spins opostos em seus respectivos pólos). Mas essa redistribuição dos spins afecta a forma como as moléculas quirais interagem com as superfícies magnéticas porque os electrões que giram em direcções opostas atraem-se uns aos outros, e aqueles que giram na mesma direcção repelem-se uns aos outros.

Conseqüentemente, quando uma molécula quiral se aproxima de uma superfície magnética, ela se aproximará se a molécula e a superfície tiverem vieses de spin opostos. Se os seus giros coincidirem, eles se repelirão. (Como também ocorrem outras interações químicas, a molécula não pode simplesmente girar para se realinhar.) Portanto, uma superfície magnética pode atuar como um agente quiral, interagindo preferencialmente com apenas um enantiômero de um composto.

Em 2011, em colaboração com uma equipa da Universidade de Münster, na Alemanha, Naaman e a sua equipa mediu o giro de elétrons à medida que se moviam através do DNA de fita dupla, confirmando que o efeito CISS é real e forte.

Foi então que a investigação sobre o efeito e as suas possíveis aplicações “começou a crescer”, disse Naaman. Ele e sua equipe, por exemplo, desenvolveram diversas maneiras de usar o efeito CISS para remover impurezas de biomedicamentos ou para excluir enantiômeros errados de medicamentos para prevenir efeitos colaterais importantes. Eles também exploraram como o efeito CISS pode ajudar a explicar o mecanismos de anestesia.

Mas só começaram a trabalhar seriamente na ideia de que o efeito CISS desempenha um papel no aumento da homoquiralidade biológica depois de terem sido convidados a colaborar numa hipótese por uma equipa de Harvard liderada pelo astrónomo Dimitar Sasselov e seu aluno de pós-graduação S. Furkan Ozturk.

Uma Perspectiva Física

Ozturk, o jovem autor principal dos artigos recentes, deparou-se com o problema da homoquiralidade em 2020, quando era estudante de física em Harvard. Insatisfeito com sua pesquisa sobre simulações quânticas usando átomos ultrafrios, ele folheou uma revista científica que detalhava 125 dos maiores mistérios do mundo e aprendeu sobre a homoquiralidade.

“Parecia realmente uma questão de física porque se tratava de simetrias”, disse ele. Depois de entrar em contato com Sasselov, que é o diretor da Iniciativa Origens da Vida de Harvard e que já estava interessado na questão da homoquiralidade, Ozturk mudou para se tornar um aluno em seu laboratório.

Ozturk e Sasselov logo tiveram uma ideia baseada no efeito CISS. Eles imaginaram um cenário primordial como um lago raso onde havia superfícies cheias de minerais magnéticos e a água continha uma mistura de precursores quirais de nucleotídeos. Eles teorizaram que a luz ultravioleta poderia ter ejetado muitos elétrons das superfícies magnéticas, e muitos desses elétrons teriam o mesmo spin. Os elétrons ejetados poderiam então ter interagido preferencialmente com enantiômeros específicos, e as reações químicas resultantes poderiam então ter montado preferencialmente precursores de RNA destros.

Em abril de 2022, Ozturk viajou para o laboratório de Naaman em Israel, entusiasmado com a perspectiva de testar a sua hipótese. Sua excitação durou pouco. No mês seguinte, enquanto trabalhava com Naamã, a ideia desmoronou. “Não funcionou”, disse Ozturk, e então voltou para casa, abatido.

Mas então Ozturk teve outra ideia. E se o efeito CISS não se manifestasse como um processo químico, mas como um processo físico?

O grupo de Naaman mostrou que poderia usar superfícies magnéticas para cristalizar preferencialmente enantiômeros. E a cristalização seria a maneira mais fácil de montar coleções purificadas de enantiômeros. Ozturk mencionou isso para John Sutherland, seu colaborador no Laboratório MRC de Biologia Molecular no Reino Unido “E eu disse, abandone tudo o que tem a ver com elétrons e concentre-se apenas na cristalização”, disse Sutherland.

Sutherland ficou entusiasmado com o aspecto da cristalização porque ele e sua equipe já haviam descoberto de forma independente que um precursor de RNA chamado ribo-aminooxazolina (RAO) pode sintetizar dois dos quatro blocos de construção do RNA. RAO também “cristaliza lindamente”, disse Sutherland. Uma vez que uma semente de cristal se forma a partir do enantiômero que é atraído para a superfície, o cristal cresce preferencialmente incorporando mais do mesmo enantiômero.

Ozturk se lembra de Sutherland dizendo a ele que seria “fim de jogo” se a ideia do efeito CISS funcionasse. “Porque era tão simples”, disse Ozturk. “Foi feito isso em uma molécula que era tão central para a origem da química da vida que, se você conseguir tornar essa molécula homoquiral, poderá tornar todo o sistema homoquiral.”

Ozturk começou a trabalhar no laboratório de Harvard. Ele colocou superfícies de magnetita em uma placa de Petri e a encheu com uma solução contendo quantidades iguais de moléculas de RAO para canhotos e destros. Ele então colocou o prato em um ímã, colocou o experimento na geladeira e esperou que os primeiros cristais aparecessem. A princípio, a equipe descobriu que 60% dos cristais eram usados ​​com uma só mão. Quando repetiram o processo, seus cristais tinham 100% da mesma quiralidade.

Como relataram em um estudo publicado em junho em Os avanços da ciência, se magnetizassem a superfície de uma maneira, criariam cristais puramente destros; se eles o magnetizassem no sentido contrário, os cristais seriam puramente canhotos. “Fiquei muito surpreso, porque estou muito familiarizado com experimentos que não funcionam”, disse Ozturk. Mas este “funcionou perfeitamente”.

Atrás de sua mesa, Ozturk guarda a garrafa vazia de champanhe que Sasselov e a equipe compartilharam em um jantar comemorativo.

Multiplicar e Amplificar

Mas eles ainda tinham um grande problema: o íman que usaram na sua experiência era cerca de 6,500 vezes mais forte que o campo magnético da Terra.

Assim, Ozturk regressou ao Instituto Weizmann em Novembro passado, e ele e Naaman trabalharam numa experiência de acompanhamento em que não utilizaram nenhum campo magnético externo. Em vez disso, descobriram que quando as moléculas quirais eram adsorvidas nas superfícies magnéticas, criavam um campo magnético altamente local sobre a superfície que era até 50 vezes mais forte que o campo magnético da Terra. Suas descobertas foram aceitas por uma revista revisada por pares, mas ainda não publicadas.

“Você está forçando a vizinhança a ser magnetizada, o que torna ainda mais fácil a formação dos cristais”, disse Joyce. Esse efeito autoperpetuador torna o cenário plausível, acrescentou.

Athavale concorda. O fato de não ser necessário um campo altamente magnético para que o efeito CISS ocorra é “muito bom, porque agora você viu um possível cenário geológico”, disse ele.

Mas a verdadeira chave para criar a homoquiralidade é observar como o efeito poderia ter sido amplificado através de uma rede de moléculas em interação. “O aspecto mais importante de tudo isto não é que tenhamos conseguido encontrar outra forma de obter um produto quiral”, disse Sasselov, mas que o seu grupo encontrou um caminho para criar uma rede homoquiral.

Em artigo publicado na capa da O Jornal de Física Química em agosto, Ozturk, Sasselov e Sutherland propuseram um modelo de como a informação quiral poderia se propagar através de uma rede prebiótica. Sutherland e seu grupo já haviam demonstrado que análogos de moléculas de RNA de transferência para destros – que ligam aminoácidos e os levam ao ribossomo para produzir proteínas – ligam-se a aminoácidos canhotos 10 vezes mais rápido do que aos destros. A descoberta sugere que o RNA quiral produz preferencialmente proteínas de quiralidade oposta, como é visto na natureza. Como os pesquisadores escreveram no artigo: “Portanto, o problema da homoquiralidade biológica pode ser reduzido para garantir que um único precursor comum de RNA (por exemplo, RAO) possa se tornar homoquiral”.

O estudo não explicou diretamente por que os nucleotídeos preferidos da vida são destros e seus aminoácidos são canhotos, disse Ozturk. Mas estas novas descobertas sugerem que o factor determinante foi a magnetização induzida pelo campo terrestre. Athavale observou que mesmo que o processo de cristalização acontecesse em 100 lagos primordiais, o campo magnético da Terra garantiria que todos eles produzissem precursores com a mesma lateralidade, em vez de uma mistura.

Joyce observou que há uma “pequena reviravolta” se o campo magnético apresentar tal tendência: se a vida começou no hemisfério norte e favoreceu moléculas com uma mão só, então teria mostrado a lateralidade oposta se tivesse surgido no hemisfério sul.

A propagação da quiralidade entre famílias de moléculas ainda é altamente hipotética, observou Athavale, embora seja bom fazer as pessoas pensarem. Sasselov concorda. “A ideia deste artigo é motivar as pessoas a fazer esses experimentos”, disse ele.

Wentao Ma, pesquisador das origens da vida na Universidade de Wuhan, na China, disse que os novos artigos marcam um “progresso interessante”. Mas ele precisaria ver o efeito CISS levar à polimerização do RNA para ver isso como uma resposta completa. “Se conseguirem alcançar este resultado, penso que não estamos longe da… solução”, disse ele.

“Gosto muito do efeito CISS”, disse Noémie Globo, um astrofísico que está trabalhando no problema da homoquiralidade. O que seria mais persuasivo, disse ela, seria os pesquisadores verificarem se os meteoritos que contêm um excesso de aminoácidos com uma lateralidade específica (que já foram encontrados antes) também contêm excesso de partículas magnéticas. Ela também observou que diferentes mecanismos teorizados poderiam estar criando homoquiralidade em diferentes moléculas.

Jeffrey Bada, professor emérito do Scripps Institution of Oceanography da Universidade da Califórnia, em San Diego, é cético em relação à ideia. Ele não acredita que o RNA possa ter sido sintetizado em condições primordiais como a primeira molécula auto-replicante. “Ninguém produziu RNA num contexto prebiótico”, disse ele, porque há muitos problemas com a estabilidade da molécula.

A equipe de Sutherland ainda está trabalhando para mostrar que os outros dois tipos de nucleotídeos podem ser produzidos a partir da molécula precursora do RNA. “Acho que estamos muito perto”, disse Sutherland. “Mas meu grupo dirá que venho dizendo isso há 22 anos.”

Quer o efeito CISS represente a solução, parte da solução ou nenhuma solução, existem próximos passos óbvios para testá-lo. “Tem todos os aspectos de uma boa hipótese em que você surge com algo criativo, algo que é viável e, em seguida, algo que pode ser testado”, disse Athavale. O próximo passo mais convincente, pensa ele, seria mostrar evidências geológicas de que o processo poderia ter acontecido fora do laboratório.

Durante uma chamada do Zoom, Ozturk ergueu uma pedra preta e achatada que pegou em uma viagem à Austrália, um lugar cheio de rochas magnéticas de ferro nas quais ele espera replicar seus experimentos. Ele também quer tornar os testes futuros da ideia mais dinâmicos: os lagos primordiais onde ele pensa que as primeiras moléculas se formaram teriam correntes e fluxos de material, bem como ciclos naturais de “úmido-seco” impulsionados por chuvas e altas temperaturas, que permitiria que os cristais se formassem e se dissolvessem, se formassem e se dissolvessem.

Nota do Editor: Sasselov e o seu grupo, bem como Joyce e Sutherland, receberam financiamento do Fundação Simons, que também financia este revista editorial independente. As decisões de financiamento da Simons Foundation não têm influência em nossa cobertura.