UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO” VICTOR COSTA LOSI EVOLUÇÃO BIOLÓGICA E A ORIGEM DE NOVIDADE MORFOLÓGICA: Uma abordagem alternativa e complementar Botucatu 2019 Victor Costa Losi Evolução biológica e a origem de novidade morfológica: Uma abordagem alternativa e complementar Trabalho de conclusão de curso, apresen- tado a Universidade Estadual Paulista “Jú- lio de Mesquita Filho” – Instituto de Bioci- ências, Campus de Botucatu, como parte das exigências para a obtenção do título de Bacharel em Ciências Biomédicas. Orientador: Dr. Alfredo Pereira Junior Co-orientador: Dr. Paulo César Gomes Botucatu 2019 VICTOR COSTA LOSI Evolução biológica e a origem de novidade morfológica Uma abordagem alternativa e complementar Trabalho de conclusão de curso, apresen- tado a Universidade Estadual Paulista “Jú- lio de Mesquita Filho”, como parte das exigências para a obtenção do título de Bacharel em Ciências Biomédicas. Botucatu, 18 de novembro de 2019. AVALIADORES ________________________________________ Prof. Dr. Alfredo Pereira Junior Instituto de Biociências – Unesp/Botucatu ________________________________________ Prof. Dr. José Raimundo de Souza Passos Instituto de Biociências – Unesp/Botucatu À minha amada esposa, pelo suporte e motivação, aos meus pais e irmã, por todo apoio e carinho e fundamentalmente ao eterno Deus, fonte de sentido e propósito em minha vida. Soli Deo Gloria SUMÁRIO RESUMO..................................................................................................................... 7 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 9 1.1 Biologia evolutiva ........................................................................................... 9 1.2 Forma e informação ..................................................................................... 10 1.3 Mutação, seleção e novidade morfológica ................................................... 11 2 OBJETIVO .......................................................................................................... 15 3 MATERIAL E METODOS ................................................................................... 16 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ......................................................................... 17 4.1 Conceituando e exemplificando a auto-organização .................................... 17 4.2 Auto-organização no contexto celular e molecular ....................................... 20 4.3 Auto-organização e a origem de novidade morfológica ............................... 23 CONCLUSÃO ........................................................................................................... 28 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................... 29 Evolução biológica e a origem de novidade morfológica 7 RESUMO O surgimento de novidade morfológica no contexto prebiótico tem sido alvo de dis- cussões científicas desde os primórdios das descobertas moleculares. Como o DNA, RNA e proteínas vieram a surgir, e carregar a complexidade estrutural e informacio- nal, que permitem a existência e manutenção das formas biológicas mais simples às mais complexas. A biologia evolutiva atua como uma ferramenta unificadora das di- ferentes áreas de estudo da biologia. Os mecanismos de seleção natural e mutação, sugeridos por Darwin e Wallace como fonte da diversificação de espécies, tem sido eficaz em fundamentar a origem da variabilidade genética e adaptação das espécies aos diferentes biomas em que estão inseridas. Todavia, tal mecanismo é questiona- do por pesquisadores de diferentes áreas como única e exclusiva fonte de compre- ensão do surgimento das moléculas primordiais, visto que as forças da seleção natu- ral e mutação atuam necessariamente em formas pré-existentes. O presente estudo visa contribuir com tal discussão analisando propostas alternativas e complementa- res para tais questionamentos, como a auto-organização, fenômeno observado em sistemas físico, químicos e biológicos, de estruturação dinâmica a partir das caracte- rísticas intrínsecas de seus componentes. Por meio da contextualização e exemplifi- cação do fenômeno em diferentes sistemas, é proposta uma abordagem do surgi- mento de novidade morfológica por meio da auto-organização de reações químicas catalíticas, como ferramenta geracional sob a qual a seleção natural possa atuar. Palavras-chave: Auto-organização, evolução biológica, novidade morfológica Evolução biológica e a origem de novidade morfológica 8 ABSTRACT Since the first molecular discoveries, the arrising of morphological novelty in the pre- biotic era have been a major topic in the scientific discussions. How DNA, RNA and proteins originated and developed the rich structural and informational complexitiy that sustains simple and complex biological forms. Evolutionary biology is an unifying tool in all the major areas of biology. Through the mutation and natural selection mechanisms proposed by Darwin and Wallace, it's able to successfully explain how species adapt and survive in diferent environments. However, because natural selec- tion operates exclusively on pre-existent forms, some scientists question this mecha- nism applied as a single source of morphological novelty. This study aims to enhance the discussion through alternative proposals, like the self-organizing phenomen, ob- servated in the dynamic organization of physical, chemical and biological systems by intrinsic features of its components. First, we contextualize and exemplify self- organization in a variety of systems, thus we present a self-organizing approach through catalytic organized systems as a generative source in which natural selection can operate. Keywords: Self-organization, evolutionary biology, morphological novelty Evolução biológica e a origem de novidade morfológica 9 1 INTRODUÇÃO 1.1 Biologia evolutiva Em meados da década de 1930, a teoria da evolução proposta por Charles Dar- win e Alfred Russel Wallace já tinha grande notoriedade no meio acadêmico. Ga- nhando amplo espaço e aceitação por todas as áreas da biologia, foi responsável por promover uma unificação da genética, sistemática, paleontologia, morfologia e embriologia. O nascimento da biologia evolutiva pode ser compreendido quando a fixidez das espécies, crença ortodoxa até meados do século XVII, começa a ser questionada e repensada. Um dos grandes responsáveis por trazer a discussão a público no meio acadêmico fora Jean-Baptiste Lamarck, argumentando que as espécies mudavam ao longo do tempo e transformavam-se em novas espécies. O método proposto por Lamarck implicava que tais mudanças ocorriam pela “herança de caracteres adquiri- dos” (Lamarck, 1873). Em suas viagens marítimas, Charles Darwin pode observar por meio de sua pesquisa com espécies de pássaros, por exemplo, que aves pertencentes à mesma espécie que foram isoladas geograficamente, apresentavam distinções notáveis e adaptações específicas aos diferentes biomas em que estavam inseridas. Darwin concluiu em seus estudos que diferentes formas de uma espécie que são mais bem adaptadas à sobrevivência deixam uma progênie maior, aumentando sua frequência entre gerações (Darwin, 2009). Um dos pontos de controvérsia gerados pelos postu- lados de Darwin fora a falta de uma teoria satisfatória para a hereditariedade de ca- racteres. Na segunda década do século XX, as ideias de Mendel tomaram mais espaço no meio científico. R.A Fisher demonstrou em modelo conceitual genético como a genética mendeliana era consistente com as ideias evolutivas movidas por seleção natural (Fisher, 1918). A rejeição que a teoria darwiniana outrora sofrera, por não conceder bases satisfatórias para explicar a hereditariedade de caracteres, encon- trara firmes fundamentos na bem testada teoria de herança mendeliana. Assim se iniciou, como descrevera Julian Huxley, a era da Síntese Moderna, teoria sintética da evolução ou como popularmente é denominada hoje, neodarwinismo (Ridley, 2006). Evolução biológica e a origem de novidade morfológica 10 Desde então, a biologia evolutiva tem sido eficaz em elucidar como formas pré- existentes se diversificam sob a influência da seleção natural atuando sobre a varia- ção dos traços genéticos. Modelos matemáticos sofisticados de genética populacio- nal tem mapeado a variabilidade genética e trazido respostas importantes para pes- quisas filogenéticas, epidemiológicas, dentre outras (Griffiths and Suzuki, 2008). Dentro desse escopo de importantes respostas que a biologia evolutiva tem angari- ado para diferentes ramos de pesquisa biológica, é necessário avaliar quais conhe- cimentos a mesma pode conceder, a partir da perspectiva de seleção natural e vari- ação genética, sobre o surgimento de novidade morfológica. 1.2 Forma e informação O conceito de forma pode ser entendido pelas relações topológicas quadrimen- sionais de partes anatômicas. Uma forma surge quando elementos materiais se unem em um determinado arranjo com uma identificação topográfica, dentro da bio- logia, aquilo que se reconhece, por exemplo, por uma proteína, um tipo celular, um órgão e um organismo. Então, uma forma particular representa um arranjo específico e unificado de componentes, dentro de uma gama maior de possíveis arranjos. O surgimento de novidade morfológica está então associado diretamente à ontogênese das primeiras formas biológicas necessárias para a manutenção da vida, como os ácidos nucléicos (RNA – ribonucleic acid; e DNA – desoxyribonucleic acid). Segundo Meyer, essa concepção de forma sugere um elo com a noção de informação em seu sentido teórico (Meyer, 2004). A teoria matemática da informação proposta por Shannon equaciona a quanti- dade de informação transmitida com a quantidade de incerteza reduzida ou elimina- da em uma série de símbolos ou caracteres (Shannon, 1948). Na formação de um determinado arranjo de componentes, está envolvido a exclusão de algumas possi- bilidades de arranjo e a atualização de outras. Quanto mais opções de arranjo são excluídas, maior a quantidade de informação é gerada. A teoria pode ser aplicada para as análises de DNA e proteínas. Essa percepção da aplicabilidade da teoria de Shannon, nas análises de mensuração da capacidade de transmissão de informação de macromoléculas, como o DNA, foi descrita por biólogos matemáticos (Yockey, 1981). A molécula de DNA contém informação necessária para a montagem de pro- Evolução biológica e a origem de novidade morfológica 11 teínas, como um centro de processamento de informação. O arranjos sequenciais de nucleotídeos carregam informações que são convertidas em variadas proteínas, con- forme a disposição das bases nitrogenadas. Se é possível então calcular então a capacidade carregadora de qualquer sequência de comprimento n, visto que as qua- tro bases nitrogenadas possuem aproximadamente a mesma chance de ocorrerem em um determinado sítio ao longo da molécula de DNA (Yockey, 2002). O DNA é a unidade de armazenamento de informação que permite o surgimen- to, manutenção e hereditariedade da vida. Esse tipo de informação carregada pelas cadeias poliméricas pareadas do DNA, composta pelo arranjo nucleotídico nomeado pelo alfabeto de quatro letras – A, T, C e G (Adenina, Timina, Citosina e Guanina), não representa apenas mera complexidade inespecífica, mas, como sequências de códigos de programação de um computador, genes e proteínas carregam informa- ções específicas que resultam em ações específicas com funcionalidades específi- cas (Alberts, 2017). É possível inserir uma sequência de DNA humano em uma bac- téria, e o sistema de transcrição e tradução bacteriano interpretar a informação e gerar a proteína funcional referente ao arranjo específico exógeno que fora inserido. É possível inserir dentro de células humanas mantidas em cultivo celular vetores contendo genes específicos que garantem resistência a antibióticos, genes proveni- entes de algas marinhas que geram proteínas responsivas à luz ultravioleta, dentre diversas outras possibilidades de transmissão de informação biológica. (Griffiths and Suzuki, 2008). 1.3 Mutação, seleção e novidade morfológica Pode se definir vida a partir de duas características principais: metabolismo, que consiste em um sistema coordenado de reações químicas que contribui para sua manutenção, e a replicação hereditária, que é o sistema de cópia no qual uma nova estrutura se assemelha com a velha (Stearns and Hoekstra, 2003). Desde as publi- cações de Oparin e Haldane, tem se tentado replicar laboratorialmente as condições atmosféricas pré-bióticas para se testar a síntese de moléculas orgânicas sob de- terminados estímulos elétricos. Miller, utilizando uma mistura de gases metano, amônia e hidrogênio, simulando relâmpagos por meio de descargas elétricas, em uma solução aquosa com diversas moléculas inorgânicas, descobriu a formação de Evolução biológica e a origem de novidade morfológica 12 diversos compostos biológicos importantes, como aminoácidos (Miller, 1953). Toda- via, alguns compostos orgânicos essências para a vida, como os ácidos nucleicos, a base química da hereditariedade, nunca foram obtidos. Compreender a origem dos replicadores hereditários, componentes fundamen- tais da vida, tem se tornado um dos grandes focos de empenho científico. A despeito do êxito em gerar alguns compostos orgânicos, um conjunto desses compostos iso- lados não implica em vida, independente das condições pré-bióticas estabelecidas para a ação evolutiva. É válido analisar então, a capacidade dos mecanismos evolu- tivos de seleção natural e variabilidade genética como geradores de moléculas fun- damentais para a manutenção da vida, como o DNA. A seleção natural e variação genética tem sido atribuída por alguns autores como ferramenta capaz de explicar o surgimento de formas biológicas primordiais, como DNA e proteínas (Peretó and Ca- talà, 2012). Deve-se propor então questionamentos acerca da capacidade explana- tória de tal ferramenta para justificar a complexa estruturação e informação contida em tais moléculas e como poderiam se originar espontaneamente ou serem produzi- das artificialmente no laboratório. Nas últimas décadas, vários cientistas têm questionado, por meio de artigos ci- entíficos, ensaios e livros, a eficácia da seleção natural e mutação genética como único e exclusivo mecanismo gerador de novidade morfológica (Meyer, 2004). O fundamento de tais questionamentos se dá na inadequação ou insuficiência do me- canismo de variação de traços genéticos como uma explicação satisfatória da ori- gem de novas formas e estruturas. Como fora dito pelo próprio Darwin, fontes de novas formas e estruturas devem preceder a ação da seleção natural (Darwin, 2009), ou seja, a seleção natural deve atuar naquilo que já existe. Para Lynn Margu- lis, premiada cientista americana proponente da teoria endosimbiôntica, a seleção natural tem potencial eliminatório e mantenedor, mas não de criação (Margulis, 2014). Assim como Margulis acreditara, outros biólogos, biofísicos e filósofos da bio- logia entendem que o processo de seleção natural e mutação aleatória apresenta um déficit de potencial generativo. Para Kauffman, a seleção natural, como única força explicativa das fontes de ordem que se observam no mundo natural, se torna inadequada, pois falha em incorporar a possibilidade de sistemas simples e comple- xos exibirem ordem espontaneamente (Kauffman, 1993). É possível compreender tais questionamentos a partir dos conceitos de informa- ção e função, demonstrando a alta improbabilidade de que a funcionalidade de ge- Evolução biológica e a origem de novidade morfológica 13 nes e proteínas decorra de um processo aleatório de variação e subsequente sele- ção. O tamanho médio de um gene codificador de proteínas é de cerca de 27 mil pares de bases (Alberts, 2017). Para qualquer arranjo específico de quatro nucleotí- deos, existe um número correspondente de possíveis arranjos de base 4𝑛. Para qualquer proteína, existe um número de 20𝑛 possibilidades de arranjo (Yockey, 2002). Um gene de 1000 pares de base representa uma entre 41000 sequências de nucleotídeos, e uma proteína de 500 aminoácidos representa uma em 20500, o que torna proteínas funcionais raras dentro do conjunto de possíveis arranjos de amino- ácidos. Dentro do campo da linguagem humana, palavras e sentenças com sentido são raras frente ao número de possíveis arranjos de letras do alfabeto, especialmen- te quanto maior o número de letras presentes em uma sentença. Tais sentenças com sentido estão altamente isoladas umas das outras dentro do campo das possí- veis combinações de letras, assim, substituições aleatórias de letras geram inevita- velmente degradação de sentido da sentença. Analogamente, alterações sequen- ciais em genes e proteínas resultam, na maioria dos casos, em perda de funcionali- dade antes que novas funções apareçam (Denton, 1986; Llvtrup, 1979). Ensaios de mutagênese são capazes de testar a sensibilidade de proteínas, e consequentemente os genes que as produzem, indicando uma perda de função, como resultado de alterações nas sequências de aminoácidos. Estudos de mutagê- nese proteica tem demonstrado que resíduos de aminoácidos em diversas posições ativas não podem variar sem que haja perda de funcionalidade proteica (Perutz and Lehmann, 1968), e ainda outros estudos tem demonstrado que mesmo mudanças em sítios não ativos geram perda de funcionalidade (Axe, 2000). Proteínas funcio- nais representam arranjos isolados e improváveis de aminoácidos frente aos arran- jos que geram proteínas não funcionais, e ainda são altamente sensíveis a altera- ções sequenciais, mesmo que ocorram em sítios não ativos. Essa alta complexidade e especificidade de informação de proteínas e sequências gênicas apresentam uma dificuldade de explicação para o surgimento de novidade morfológica por meios de seleção natural e mutação atuando em conjunto. Segundo Margulis, apesar de mu- tações aleatórias terem influenciado o curso do processo evolutivo, sua influência foi majoritariamente por meio de perda, alteração e refinamento de função. Uma muta- ção pode conferir resistência ao patógeno da malária, mas ao mesmo tempo torna as células sanguíneas deficientes carreadoras de oxigênio nos portadores de ane- mia falciforme, promovendo predisposição a infecções, fortes dores e fadiga. Muta- Evolução biológica e a origem de novidade morfológica 14 ções, sumariamente, tendem a induzir doenças, deficiências ou morte (Margulis, 2014). Um dos problemas mais fundamentais na biologia consiste na origem das for- mas e suas funções associadas. A discussão de explicações alternativas que ve- nham a suplantar tais “lacunas generativas” na biologia evolutiva são importantes para se ampliar o campo de visão de entendimento sobre o surgimento de novidade morfológica. Para a melhor compreensão do cenário que promoveu o surgimento de importantes moléculas precursoras da vida, com toda complexidade e especificidade delas, novas alternativas devem ser pensadas para suplantar deficiências explicati- vas e corroborar (ou não) os atuais paradigmas explicativos do processo evolutivo, em particular no período pré-biótico, quando ocorre a formação das macromoléculas vitais. Evolução biológica e a origem de novidade morfológica 15 2 OBJETIVO Buscar explicações a respeito do surgimento de novidade morfológica que apre- sentam propostas alternativas e complementares à biologia evolutiva darwiniana. Evolução biológica e a origem de novidade morfológica 16 3 MATERIAL E METODOS Foram selecionadas publicações científicas peer-reviewed bem conceituadas, como jornais científicos, artigos, livros e antologias, por meio de bibliotecas científi- cas eletrônicas, como SciELO (Scientific Eletronic Library Online - https://scielo.org/), PubMed (US National Library of Medicine - https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed) e Google Scholar (https://scholar.google.com/), que discutissem metodologias alterna- tivas e complementares para o surgimento de novidade morfológica sob a perspecti- va de replicadores hereditários. Foram também analisadas a procedência e relevân- cia científica de tais publicações por meio de rankings de fator de impacto como SCImago Journal Rank (scimagojr.com) e Journal Citation Reports. Após análise de dados coletados por meio de revisão teórica, foram compilados e exemplificados neste presente trabalho. Evolução biológica e a origem de novidade morfológica 17 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.1 Conceituando e exemplificando a auto-organização A auto-organização (do inglês: self-organization) é uma ferramenta de interpre- tação de sistemas a partir das suas interações dinâmicas endógenas. Concepções semelhantes podem ser observadas desde os antigos, por exemplo, nos atomistas, como Democritus, e na física aristotélica, como na teoria das quatro causas (formal, material, eficiente e final). Immanuel Kant utilizou o termo em sua obra Crítica do Julgamento (Kant, 1914) ao elaborar pensamentos sobre a teleologia. Para Kant, a vida seria o surgimento de funções por meio da auto-organização, onde em um or- ganismo, cada parte deve sua existência e origem à outras partes, com as funções atribuídas a determinado órgão vivo ou organismo emergindo das propriedades das partes e do todo, gerando assim um complexo estado de matéria viva com um fim auto-organizacional (Pereira Jr. e Pereira, 2010; Karsenti, 2008). Na física, o concei- to de auto-organização corresponde ao aumento espontâneo de ordem em um sis- tema devido à processos, forças ou leis naturais. Pode-se tomar como exemplo uma banheira cheia de água. Ao abrir o ralo e permitir o escoamento da água, observa-se a formação de um vórtex, estrutura altamente organizada, por meio da influência da força gravitacional e força inercial de Coriolis, dentre outras forças físicas. Essas for- ças naturais atuam no sistema e geram uma estrutura, conferindo o aumento de or- dem dentro do mesmo (Meyer, 2009). Vários exemplos de aumento de ordem em sistemas podem ser observados por meio de reações químicas. Oscilações químicas, mudanças periódicas de concentrações de reagentes em um sistema, são um dos exemplos mais comuns de processos formadores de pa- drões mantidos sob o fluxo de energia. Em 1951, Boris Belouzov, um químico russo, descobriu uma reação química oscilatória ao acaso enquanto investigava o ciclo cí- trico. Ao substituir uma enzima catalizadora por íons de Cério na reação, a solução que normalmente era incolor passou a alterar periodicamente para tons de amarelo. Após sua descoberta, Anatoly Zhabotinsky, um graduando de ciências biofísicas, conseguiu resultados diferentes ao implementar ferroína, um complexo férrico que apresenta coloração vermelha quando reduzido e azul quando oxidado, como agen- te catalisador no ciclo cítrico. Anatoly observou a mudança periódica da coloração azul para vermelho, e a formação de padrões circulares na solução. Tal reação ga- Evolução biológica e a origem de novidade morfológica 18 nhou notoriedade no meio científico, recebendo o nome de reação de Belouzov- Zhabotinsky (Miyazaki, 2013). Se realizada em um reator de fluxo contínuo, onde os reagentes são continuamente adicionados à reação por uma bomba, e a solução é evacuada por outra bomba, para manter o volume constante, permite-se manter o sistema longe do equilíbrio por longos períodos. Os padrões espaciais e temporais da reação são comumente classificados como estruturas dissipativas e possuem similaridade significativas com sistemas vivos, como por exemplo, padrões de espi- rais rotativas que podem ser observados em diversos sistemas biológicos (vide figu- ra 1). Figura 1 – imagem superior. Esquematização do reator de fluxo contínuo (a). Linha de tempo de- monstrando a duração das oscilações em um reator de fluxo contínuo (triângulos) e em um sistema fechado (círculo). imagem inferior. Progressão temporal da formação de padrões circulares em rea- ção de Belouzov-Zhabotinsky. Um padrão singular que apresente maior período oscilatório tende a dominar eventualmente. Fonte: (Miyazaki, 2013) Moléculas podem, em determinadas condições, se organizarem em padrões dinâmicos. A convecção de Bénard-Rayleigh é um exemplo auto-organização em sistemas não lineares (Rayleigh, 1916). Quando um líquido, em um recipiente de superfície plana, é aquecido por uma fonte inferior de calor, forma-se um gradiente de temperatura, o que promove uma maior agitação das moléculas no fundo do reci- piente em relação às da superfície, e o calor é difundido de baixo para cima, sem haver alterações no fluxo do fluído. Quando a temperatura atinge um ponto crítico, Evolução biológica e a origem de novidade morfológica 19 satisfazendo um valor universal chamado de número de Rayleigh, instabilidades lo- cais levam à quebra da simetria no sistema com uma movimentação conjunta das moléculas. Uma bifurcação no sistema promove uma movimentação coletiva mole- cular podendo ser em sentido horário ou anti-horário, gerando padrões ordenados de movimentação fluídica. Figura 2 – Esquematização da convecção de Bénard-Rayleigh. a. Moléculas sendo agitadas por in- dução térmica. b. Moléculas auto-organizadas quando a temperatura atinge o ponto crítico de Ray- leigh. Fonte: (Karsenti, 2008) Figura 3 – Visão superior, aumentada em 25x, de óleo de silicone com alumínio em pó, aquecido uniformemente por uma fonte de calor inferior, gerando a convecção de Bénard-Rayleigh. O reflexo da luz permite ver o fluído se movendo do centro para as extremidades, em conformação hexagonal. Fonte: (Van Dyke) A cristalização do cloreto de sódio (NaCl), comumente conhecido como “sal de cozinha” é outro exemplo de ordem adquirida em um sistema por meio das pro- priedades químicas intrínsecas e das forças eletrostáticas. Em seu estado sólido, este composto iônico com proporções 1:1 de íons sódio e cloreto apresenta uma estrutura molecular ordenada. Os íons cloreto são arranjados em um formato cúbico, e os íons de sódio, que apresentam menor tamanho, preenchem os espaços interio- res do cubo (vide figura 2). Tal estrutura é encontrada em outros compostos e é co- Evolução biológica e a origem de novidade morfológica 20 nhecida como halita ou halite. Essa ordenação estrutural é promovida pelas forças eletrostáticas que atuam nas cargas relativas dos íons (Shriver and Atkins, 1999). Figura 4 – Modelo atômico do cloreto de sódio (à esquerda). Fotografia dos cristais de cloreto de sódio (à direita). Demonstração da estruturação ordenada. Fonte: (Lodovico, 2018) Ilya Prigogine, físico russo ganhador do Prêmio Nobel de Química em 1977, em seu trabalho de instabilidade em sistemas dissipativos, teve um papel importante na formalização da natureza dos processos de auto-organização, ao estabelecer uma base teórica para o entendimento de ordem estrutural e funcional em sistemas químicos (Prigogine and Lefever, 1968). Tal ideia de surgimento espontâneo de or- dem pode parecer, inicialmente, entrar em contradição com a segunda lei da termo- dinâmica, que diz que sistemas termodinamicamente fechados tendem a alcançar equilíbrio em seu estado de maior desordem, com a maior entropia, tendo as molé- culas ocupando todo o espaço aleatoriamente. Estados ordenados podem surgir em equilíbrio termodinâmico, mas são estáticos, como visto anteriormente, na formação de cristais. Já um sistema termodinamicamente aberto, que recebe uma fonte de energia externa, pode apresentar uma redução da entropia, em outras palavras, or- dem sendo gerada, pela auto-organização das moléculas ao formarem padrões pre- cisos e dinâmicos, como visto na reação de Belousov-Zhabotinsky, onde a ordem surge das propriedades químicas, e na convecção de Bénard-Rayleigh, tendo ordem emergindo das interações físicas coletivas moleculares, o que Prigogine classifica como estruturas dissipativas (Karsenti, 2008). 4.2 Auto-organização no contexto celular e molecular Auto-organização no contexto da biologia celular e molecular pode ser definida como a capacidade de um complexo macromolecular ou organela determinar sua própria estrutura, a partir das interações funcionais de seus próprios componentes (Misteli, 2001a). O estudo científico da auto-organização aplicado nas ciências bioló- Evolução biológica e a origem de novidade morfológica 21 gicas visa identificar princípios e mecanismos pelos quais um conjunto de agentes em interação evoluem para um padrão dinâmico temporal-espacial. Como foi discu- tido anteriormente, em sistemas auto-organizadores, as interações de seus compo- nentes moleculares determinam suas características estruturais e funcionais. Avan- ços recentes de captação de imagens celulares em tempo real têm permitido a vi- sualização das propriedades dinâmicas do meio intracelular e suas organelas. Essa ordem dinâmica resulta de uma combinação de complexas interações de auto- montagem (do inglês: self-assembly), onde componentes se arranjam em estruturas estáveis e estáticas que alcançam um equilíbrio termodinâmico e interações alta- mente dinâmicas entre moléculas que necessitam de dissipação energética (ATP e GTP), resultando em estruturas dinâmicas de auto-organização. No meio intracelu- lar, proteínas, complexos proteicos e vesículas lipídicas se movimentam de maneira rápida, se difundindo pelo citoplasma e núcleo, atravessando distâncias de vários micrometros em poucos segundos. Uma única proteína com uma abundância de 50 mil cópias encontra uma proteína de abundância similar a cada 0,5 segundo, e qual- quer molécula pode alcançar qualquer local da célula com igual probabilidade dentro de poucos minutos (Misteli, 2001b). A alta mobilidade proteica e taxa de interação molecular, somadas ao surgimento de estruturas estáveis a partir de interações tran- sientes de seus componentes no meio intracelular são consistentes com papeis de auto-organização na arquitetura celular. O citoesqueleto de células eucarióticas consiste em longos polímeros não- covalentes de proteínas tubulina e actina, chamados de microtúbulos e filamentos de actina. Essa proteínas determinam o formato celular, sua polaridade e a capacidade de migração tecidual (ex. fibroblastos), formam um arcabouço interno que direciona o movimento de partículas e organelas, e são essenciais na divisão celular ao forma- rem as fibras do fuso, que se organizam bipolarmente e promovem a segregação das cromátides irmãs antes da divisão celular. Todas essas funções requerem uma conformação espacial específica do citoesqueleto celular e essas distintas organiza- ções arquiteturais são formadas pelo mesmo conjunto limitado de componentes do citoesqueleto, e a chave para isso está na natureza dinâmica e na habilidade desses componentes se auto-organizarem. As propriedades auto-organizadoras das redes de microtúbulos já foram de- monstradas in vitro em soluções contendo uma combinação de tubulinas, cinesinas (motores proteicos) e ATP sob condições controladas de temperatura (Nédélec et Evolução biológica e a origem de novidade morfológica 22 al., 1997; Tabony and Job, 1990). Os microtúbulos e a actina são intrinsecamente instáveis, e estão continuamente tendo subunidades adicionadas e removidas de seus polos positivos e negativos por processos de adição de despolimerização. De- pendendo das concentrações de tubulinas e motores e das forças cinéticas envolvi- das, diferentes estruturas são formadas (redes aleatórias, vórtices ou áster). A auto- organização notada em tais estruturas pode ser comparada aos arranjos encontra- dos em sistemas físico-químico simples. O comportamento coletivo dos microtúbulos e das cinesinas, com a energia dissipada no sistema através da liberação de ATP e GTP pelo movimento das cinesinas, permite a formação de uma variedade de estru- turas, longe do equilíbrio térmico. Figura 5 – Diferentes arranjos formados pela auto-organização de microtúbulos e cinesinas incuba- das à 37ºC com diferentes concentrações de cinesinas (a. 25 µg/ml b. 37,5 µg/ml c. 50 µg/ml e d. <15µg/ml), em câmaras de vidro micro fabricadas. Fonte: (Nédélec et al., 1997) O ciclo é regulado por diversos componentes celulares como fatores de trans- crição, enzimas e complexos proteicos, como é o caso das proteínas quinases de- pendentes de ciclinas (Cyclin-Dependent Kinases – CDK’s). Presentes em células eucarióticas, tais proteínas apresentam um papel fundamental na regulação da divi- são celular, por meio de controle transcricional e atividade enzimática, que promo- vem as mudanças necessárias no ambiente citoplasmático para a correta segrega- ção cromossômica (Malumbres, 2014). CDK’s modulam de maneira abrupta o esta- do citoplasmático celular por meio da conformação da cromatina. A concentração de proteínas ciclinas determina sua ação, sendo que em baixa concentração as CDK’s Evolução biológica e a origem de novidade morfológica 23 se inativam, permitindo a formação nuclear, cromossomos descondensados e repli- cação de DNA (intérfase), e quando ultrapassa um determinado limite há ativação de CDK’s, promovendo a formação do fuso mitótico e condensação cromossômica (Karsenti, 2008). Funcionando como um oscilador, CDK’s apresentam padrões de auto-organização devido à sua autonomia, se assemelhando mecanicamente à rea- ção de Belousov-Zhabotinsky, com a exceção de ser composta de moléculas mais complexas. Existem dois estados estáveis, e a bifurcação entre tais estados é de- pendente das concentrações de ciclinas, controladas por loops de feedback negativo e positivo. Figura 6 – Controle do ciclo celular por um oscilador, movida pelo acúmulo de ciclina B, que se liga à CDK1. Quando os níveis do complexo ciclina B-CDK1 atingem um limite, há ativação de CDK1 (feed- back positivo). Quando CDK1 atinge um limite, ativa a degradação de ciclina B (feedback negativo). Fonte: (Karsenti, 2008) 4.3 Auto-organização e a origem de novidade morfológica Como discutido anteriormente, a auto-organização ocorre tanto em sistemas fí- sico-químicos como em sistemas biológicos, quando elementos interagem dinami- camente entre si, havendo dissipação energética, para gerar um sistema que adqui- re propriedades emergentes, que não podem ser previstas ao se analisar as proprie- dades individuas dos elementos. Cientistas tem proposto abordagens de auto- organização para responder às lacunas generativas de novidade morfológica obser- vadas na seleção natural e mutação. A alta improbabilidade dos complexos replica- dores hereditários e proteínas fundamentais terem surgido aleatoriamente por meio Evolução biológica e a origem de novidade morfológica 24 de processos de mutação genética tem implicado a discussão de novas abordagens para explicar tais eventos essenciais do surgimento da vida. Dean Kenyon e Gary Steinman, na década de 70, onde já se discutia a dicoto- mia entre chance e necessidade proposta por Jacques Monod (Monod, 1974), pro- puseram uma nova teoria sobre a origem de novidade morfológica e informação mo- lecular em seu livro intitulado Biochemical Predestination (Kenyon and Steinman, 1969). Suas críticas foram baseadas na falta de argumentos quantitativos para cor- roborar as conclusões de artigos especulativos sobre a origem da vida, como as in- ferências de que eventos altamente improváveis, como a formação espontânea da molécula de DNA e da enzima DNA polimerase na mesma região de espaço e tem- po, se tornam virtualmente inevitáveis ao longo dos longos prazos do tempo geológi- co. Um exemplo de tal incoerência nessas deduções fora demonstrada por Eigen, que discutiu um problema paradoxal do surgimento dos replicadores hereditários por meio de mutações e seleção (Eigen, 1971). As moléculas de DNA e RNA apresen- tam erros ocasionais no processo replicativo, com uma probabilidade constante por subunidade, podendo ser erros pontuais de um par de base, ou mais pares. Sem a existência de enzimas de reparo de danos no processo replicativo, o limite máximo que uma molécula pode atingir é aproximadamente 100 pares de base (error- threshold). Todavia, para a codificação de uma enzima de reparo, são necessários genes muito maiores que 100 pares de base. Kenyon e Steinman sugerem em vez de mutações aleatórias para atingir as transformações químicas necessárias para surgimento dos monômeros iniciais, rea- ções químicas determinísticas. Assim como as forças eletroestáticas atraem os íons sódio e cloreto juntos para formarem padrões altamente organizados em um cristal de sal, aminoácidos com afinidades específicas uns pelos outros podem ter se arran- jado para formar simples proteínas primordiais. Na mesma maneira que a diferença da natureza de reatividade de unidades de um cristal inorgânico determina a consti- tuição final do arranjo tridimensional do cristal, diferenças de reatividades entre os diversos aminoácidos poderiam possivelmente servir para promover uma ordem de- finida sequencial em uma cadeia peptídica. Eles descobriram que a glicina forma ligações com alanina duas vezes mais frequente que valina. Também descobriram que aminoácidos com cadeias laterais maiores se lingam menos frequentemente com aminoácidos de cadeias laterais menores. Sua proposta fora que essas diferen- Evolução biológica e a origem de novidade morfológica 25 ças de afinidade poderiam impor alguns limites na formação de sequências de ami- noácidos, tornando algumas sequências mais prováveis do que outras. Sua proposta fora o surgimento de proteínas diretamente dos aminoácidos presentes na sopa pre- biótica (Kenyon and Steinman, 1969). Stuart Kauffman, pesquisador atuante nas áreas de bioquímica e biofísica, pro- pôs que a auto-organização é um resultado natural de determinados tipos de com- plexos sistemas conectados, e que a ordem emerge em sistemas termodinâmicos abertos quando outros critérios, como a conectividade dos sistemas, são satisfeitos (Kauffman, 1995). Em reações químicas, catalizadores, como as enzimas, aumen- tam a velocidade de reação, promovendo o equilíbrio de reagentes. Um sistema au- to-catalítico coletivo é aquele em que as moléculas resultantes atuam como agentes catalisadores de suas próprias reações de formação. Uma rede formada de vários sistemas auto-catalíticos, tendo um suprimento constante de moléculas, seria capaz de se recriar constantemente, e se um conjunto suficientemente diverso de molécu- las se acumula em um determinado local, a chance de um sistema auto-catalítico surgir é grande. Kauffman sugere então que em um ambiente pré-biótico, ao se au- mentar a complexidade molecular, gera-se a emergência de reações catalíticas que interconectadas, garantem a formação de um grande componente auto-organizado. Em seu livro The Origins of Order, Kauffman exemplifica sua proposta através de gráficos isotrópicos aleatórios (Kauffman, 1993). Em um conjunto de botões e fios, dois botões podem ser interligados por um fio, e as chances de que isso ocorra aleatoriamente são as mesmas para cada botão. Se os pares de botões forem co- nectados por fios aleatoriamente, no início do processo, botões não conectados se- rão selecionados com maior frequência, mas à medida que o processo decorre, di- minuem-se a quantidade de botões livres, e botões já conectados passam a se co- nectar com outros, gerando conexões de 3 botões. Com o passar do tempo, todos os botões estarão interligados por meio de grandes aglomerados de fios. O que se nota em tal sistema, é que uma transição de fase ocorre quando a proporção de fios para botões ultrapassa o valor de 0,5, onde uma estrutura maior é formada a partir dos aglomerados de fios. Essa transição pode ser observada em sistemas de 20 botões, como em sistemas de 10 mil botões, o padrão sempre é o mesmo. Kauffman argumenta que tal representação é análoga ao surgimento de novidade morfológica, onde os botões podem ser entendidos como moléculas primordiais, e os fios as rea- Evolução biológica e a origem de novidade morfológica 26 ções existentes entre elas. Quando muitas reações catalíticas intermoleculares ocor- rem em um sistema químico, tais componentes tendem a se cristalizarem repentinamente. Figura 7 – Botões são conectados aleatoriamente por um número crescente de fios. Quando a pro- porção de fios para botões ultrapassa o limite de 0,5, a maioria dos botões se conectam e um grande componente unificado. Fonte: (Kauffman, 1993) Considere agora tal exemplo aplicado a um sistema prébiótico. Um polímero formado de quatro monômeros ABBB, pode surgir de três maneiras: A+BBB, AB+BB e ABB+B. Quanto maior o tamanho do polímero, maior o número de reações de for- mação, assim, um polímero de tamanho L tem L-1 ligações internas e pode ser for- mado por polímeros menores em L-1 maneiras. Além disso, um polímero também pode ser formado pela clivagem de polímeros maiores, nota-se então que o número de reações pelas quais uma molécula pode ser formada é maior que o próprio núme- ro de moléculas existentes, o número de “fios” é muito maior que o número de “bo- tões”. Quando a complexidade e tamanho molecular aumentam nesse sistema pri- mordial, aumenta-se ainda mais o número de reações pelas quais essas moléculas se formam. Agora para que o sistema desenvolva propriedade autocatalíticas e gere redes autossustentáveis, algumas moléculas devem agir como catalisadores, e com o aumento gradativo de complexidade molecular, a chance de reações serem catali- sadas por moléculas do próprio sistema aumenta. Quando um determinado limite de diversidade molecular é cruzado, um componente maior, autocatalitico se cristaliza (Kauffman, 1995). É notável que moléculas podem atuar como catalisadores de rea- Evolução biológica e a origem de novidade morfológica 27 ções próprias, como exemplo, a proteína tripsina e ribozimas, moléculas de RNA com propriedades catalisadoras. Kauffman demonstrou através de simulações com- putadorizadas a cristalização acontecendo invariavelmente em sistemas onde a au- mento da diversidade molecular e da probabilidade de moléculas atuarem como ca- talisadores. Figura 8 – Exemplo de um sistema autocatalítico formado por polímeros primitivos. Monômeros a, b, alimentam a base do sistema. As reações são representadas pelos pontos conectando os produtos de clivagem com os polímeros precursores correspondentes. As linhas pontilhadas indicam os pro- cessos catalíticos partindo do catalisador para a reação a ser catalisada. Fonte: (Kauffman, 1993) O princípio da auto-organização pode então ser hipotetizado como mecanis- mo gerador de novidade morfológica, por meios de forças intrínsecas moleculares ou complexos sistemas auto-organizados a partir de suas mútuas reações de catálise. Se existe um conjunto de produtos que podem interagir dinamicamente entre si para atingir um estágio funcional, eles eventualmente atingirão tal estado, sob determina- das condições. O surgimento de novidade morfológica pode então ser interpretado pelo paradigma das interações moleculares como proposta alternativa à seleção na- tural e mutação. Tais sistemas organizacionais de moléculas primordiais, se incorpo- rado por compartimentos rudimentares, como membranas lipídicas, poderiam repre- sentar o surgimento de protocélulas autocatalíticas. Evolução biológica e a origem de novidade morfológica 28 CONCLUSÃO Os princípios observados nos processos de auto-organização tendem a indicar que as forças geradoras de novidade morfológica não são somente os processos de seleção natural e mutação, mas tais forças podem surgir de propriedades intrínsecas da matéria e seus sistemas auto-organizados. A auto-organização não representa uma proposta substitutiva do processo seletivo, mas uma alternativa de gênese mo- lecular para gerar alternativas a serem selecionadas, pois a seleção natural apenas pode trabalhar com matéria pré-existente. Pereira Jr. and Paleari (2004) argumen- tam que a seleção natural a auto-organização de moléculas primordiais seriam for- ças complementares, onde a segunda atuaria estabelecendo um conjunto de possi- bilidades nas quais a primeira atuaria, pois isoladamente, seria insuficiente para ex- plicar o contexto de surgimento de novidade morfológica no ambiente pré-biótico. A auto-organização permite então analisar os eventos biológicos do surgimento mole- cular pelo paradigma dos princípios intrínsecos e comportamento coletivo dos siste- mas. Evolução biológica e a origem de novidade morfológica 29 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Alberts, B. (2017). Biologia Molecular da Célula (Porto Alegre: Artmed). Axe, D.D. (2000). Extreme functional sensitivity to conservative amino acid changes on enzyme exteriors 1 1Edited by J. Karn. J. Mol. Biol. 301, 585–595. Darwin, C. (2009). 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