Uma transição de fase algorítmica evolutiva de 2,6 bilhões de anos atrás pode ter despertado o surgimento de células eucarióticas

Uma colaboração internacional entre quatro cientistas de Mainz, Valência, Madri e Zurique tem publicado nova pesquisa no Anais da Academia Nacional de Ciênciaslançando luz sobre o aumento mais significativo da complexidade na história da evolução da vida na Terra: a origem da célula eucariótica.

Embora a teoria endossimbiótica seja amplamente aceita, os bilhões de anos que se passaram desde a fusão de uma archaea e uma bactéria resultaram em falta de intermediários evolutivos na árvore filogenética até o surgimento da célula eucariótica. É uma lacuna em nosso conhecimento, conhecida como o buraco negro no coração da biologia.

“O novo estudo é uma mistura de abordagens teóricas e observacionais que compreende quantitativamente como a arquitetura genética da vida foi transformada para permitir um aumento de complexidade”, afirmou o Dr. Enrique M. Muro, representante da Universidade de Johannes Gutenberg Mainz (JGU) neste projeto.

Proteínas e genes codificadores de proteínas aumentam em comprimento

O artigo em Pnas demonstra que as distribuições de proteína comprimentos e seus correspondentes genes Siga as distribuições log-normais em toda a árvore da vida. Para fazer isso, 9.913 proteomos diferentes e 33.627 genomas foram analisados. As distribuições log-normais geralmente surgem como resultado de processos multiplicativos.

Seguindo o princípio da Razor de Ockham, os pesquisadores modelaram a evolução das distribuições de comprimento de genes como processos estocásticos multiplicativos. De fato, eles modelaram a ação de todos os operadores genéticos combinados em relação ao comprimento da sequência.

A partir de Luca, ou seja, a hipótese do último ancestral comum common, do qual os três domínios da vida – as bactérias, os archaea e os eukarya – originados, os pesquisadores descobriram teoricamente e observacionalmente que os comprimentos médios do gene evoluíram exponencialmente ao longo do tempo evolutivo em diferentes espécies. Além disso, eles descobriram um mecanismo invariante em escala de crescimento de genes em toda a árvore da vida, onde a variação depende diretamente do comprimento médio da proteína.

Ao representar todas as espécies capturadas nos 33.627 genomas, a equipe conseguiu verificar observacionalmente as previsões e, além disso, mostrar que o comprimento médio do gene é um barraco muito bom para a complexidade organisma. Em um exercício puro da biologia quantitativa, o Dr. Bartolo Luque, da Universidade Politécnica de Madrid, acrescentou: “Ao conhecer o comprimento médio dos genes codificadores de proteínas em uma espécie, podemos calcular toda a distribuição do comprimento do gene dentro dessa espécie”.

Ao representar a evolução dos comprimentos médios da proteína versus seus comprimentos de genes correspondentes em diferentes espécies, observa-se que eles evoluem simultaneamente em procariontes, porque quase não há sequências não codificantes em seus genes. No entanto, uma vez que o comprimento médio do gene atinge 1.500 nucleotídeos, as proteínas se dissipam do processo multiplicativo de crescimento de genes, e o comprimento médio da proteína se estabiliza após o início da célula eucariótica a cerca de 500 Aminoácidos Em um limiar claro, marcando a aparência da célula eucariótica.

A partir desse ponto, e, diferentemente do que acontece com as proteínas, o comprimento médio do gene continua a aumentar como nos procariontes, devido à presença de sequências não codificantes.

Transição de fase algorítmica

Uma análise crítica de fenômenos concluiu então que uma transição de fase, bem estudada na física dos materiais magnéticos, ocorreu em um comprimento crítico do gene de 1.500 nucleotídeos. Isso marcou eucariogênese e divide a evolução da vida em dois fases distintas: Uma fase de codificação (Prokarya) e uma fase não codificadora (Eukarya).

Além disso, são observados fenômenos característicos dessas transições, como a desaceleração crítica, onde a dinâmica do sistema fica presa em muitos estados metaestáveis ​​ao redor do ponto crítico. “Isso é corroborado nos primeiros protistas e fungos”, disse o Dr. Fernando Ballesteros, da Universidade de Valência.

Além disso, “a transição de fase foi algorítmica”, acrescentou o professor Jordi Bascompte da Universidade de Zurique. Na fase de codificação, em um cenário próximo a Luca, com proteínas curtas, aumentando o comprimento das proteínas e seus genes correspondentes period computacionalmente simples. No entanto, à medida que os comprimentos das proteínas aumentavam, a busca por proteínas mais longas tornou -se inviável.

Essa tensão causada por genes que cresceram na mesma taxa de antes, enquanto as proteínas não puderam ter sido resolvidas continuamente, mas abruptamente, com a incorporação de sequências não codificantes nos genes.

Com essa inovação, o algoritmo para a busca de novas proteínas reduziu rapidamente sua complexidade computacional, tornando-se não linear através do spliceossomo e do núcleo, que separou a transcrição e a emenda da tradução. Isso aconteceu no ponto crítico da transição de fase, que este estudo knowledge de 2,6 bilhões de anos atrás.

O estudo não apenas responde a perguntas essenciais, mas é interdisciplinar, combinando biologia computacional, biologia evolutiva e física. “Ele tem o potencial de interessar um amplo público em muitas disciplinas e servir de base para outros grupos explorarem diferentes avenidas de pesquisa, como energia ou teoria da informação”, enfatizou o Dr. Muro do Instituto de Evolução Organismica e Molecular da Universidade de Mainz.

A célula eucariótica, o aumento mais significativo da complexidade na história da evolução da vida na Terra, emergiu como uma transição de fase e desbloqueou o caminho para outras transições importantes – como multicelularidade, sexualidade e sociabilidade – que moldou a vida em nosso planeta como a conhecemos hoje.