Martin Hanczyc: A linha entre a vida e a não-vida

Historicamente tem havido uma enorme divisão entre o que as pessoas consideram ser sistemas não-vivos de um lado, e sistemas vivos do outro lado. Vamos, por exemplo, deste belo e complexo cristal enquanto não-vivo, para este bastante belo e complexo gato no outro lado. Durante os últimos 150 anos, mais ou menos, a ciência tem esbatido esta distinção entre sistemas vivos e não vivos, e agora consideramos que talvez haja uma espécie de continuidade entre os dois. Vamos ver apenas um exemplo: um vírus é um sistema natural, certo? Mas é bastante simples. É bastante simplista. Não reúne, de facto, todos os requisitos, não tem todas as características dos sistemas vivos e, na verdade, é um parasita de outros sistemas vivos para, digamos, se reproduzir e evoluir.

Mas aquilo de que vamos falar aqui esta noite é de experiências feitas sobre esta espécie de lado não-vivo do espectro - realmente de fazer experiências químicas no laboratório, misturar ingredientes não-vivos para criar novas estruturas, para que essas novas estruturas tenham algumas das características dos sistemas vivos. Aquilo de que estou realmente a falar é de tentar criar uma espécie de vida artificial.

Então quais são estas características de que estou a falar? São estas. Primeiro, consideramos que a vida tem um corpo. Isto é necessário para distinguir o "eu mesmo" do meio ambiente. A vida tem também um metabolismo. Ora isto é um processo através do qual a vida pode converter os recursos do meio ambiente em blocos de construção para que se possa sustentar e construir a si mesma. A vida tem também uma espécie de informação hereditária. Nós, enquanto humanos, armazenamos a nossa informação como ADN nos nossos genomas e passamos esta informação à nossa prole. Se juntarmos as primeiras duas - o corpo e o metabolismo - ficamos com um sistema que poderia talvez mover-se e replicar-se, e se agora juntássemos estes à informação hereditária, podemos ficar com um sistema que seria mais semelhante à vida, e poderia talvez evoluir. E então são estas coisas que iremos tentar fazer no laboratório, fazer algumas experiências que tenham uma ou mais destas características da vida.

Então, e como o fazemos? Bem, usamos um sistema modelo que designamos de protocélula. Podem pensar nisto como numa espécie de célula primitiva. É um modelo químico simples de uma célula viva, e se pensarem, por exemplo, uma célula do vosso corpo pode ter na ordem dos milhões de diferentes tipos de moléculas que precisam de se juntar, de trabalhar em conjunto numa rede complexa para produzir algo a que chamamos de vivo. No laboratório, o que fizemos foi nesse sentido, mas na ordem das dezenas de diferentes tipos de moléculas - uma redução drástica em complexidade, mas ainda tentando produzir com aspecto semelhante à vida. O que fazemos é, começamos com o que é simples e trabalhamos até chegar aos sistemas vivos. Pensem por um momento nesta citação de Leduc, de há 100 anos, acerca de uma espécie de biologia sintética: "A síntese da vida, se alguma vez acontecer, não será a descoberta sensacional que geralmente associamos à ideia." É a sua primeira afirmação. Se realmente criarmos vida nos laboratórios, provavelmente não terá qualquer impacto nas nossas vidas.

"Se aceitarmos a teoria da evolução, então a primeira aurora da síntese da vida deverá consistir na produção de formas intermédias entre o mundo inorgânico e o mundo orgânico, ou entre o mundo não-vivo e o mundo vivo, formas que possuam apenas alguns dos atributos rudimentares da vida" - ou seja, os que acabei que apresentar - "aos quais outros atributos serão lentamente acrescentados no decurso do desenvolvimento pelas acções evolucionárias do meio ambiente." Então, começamos de forma simples, fazemos algumas estruturas que possam ter algumas destas características da vida, e depois tentamos desenvolvê-las para que se tornem mais semelhantes à vida. É assim que conseguimos começar a criar uma protocélula. Usamos uma ideia chamada auto-montagem. O que isso significa é, posso misturar alguns químicos num tubo de ensaio no meu laboratório, e estes químicos começarão a auto-associar-se para formar estruturas cada vez maiores. Digamos, na ordem das dezenas de milhar, centenas de milhar de moléculas começarão a juntar-se para formar uma grande estrutura que não existia antes. E neste exemplo em particular, peguei em algumas moléculas de membrana, misturei-as no ambiente adequado, e numa questão de segundos formaram-se estas estruturas bastante complexas e belas aqui. Estas membranas são também bastante similares, morfologicamente e funcionalmente, às membranas do vosso corpo, e podemos usá-las, como se costuma dizer, para formar o corpo da nossa protocélula.

Da mesma forma, podemos trabalhar com sistemas de óleo e água. Como sabem, quando se junta óleo e água, eles não se misturam, mas através da auto-montagem conseguimos que uma bela gota de óleo se forme, e conseguimos de facto usá-la como o corpo do nosso organismo artificial ou da nossa protocélula, como verão mais tarde. Então, isso é apenas a formação de material do corpo, certo? Umas arquitecturas. E quanto aos outros aspectos dos sistemas vivos? Concebemos este modelo de protocécula aqui que vos estou a mostrar. Começamos com um barro que ocorre naturalmente chamado montmorilonita. É algo de natural no meio ambiente, este barro. Forma uma superfície que é, digamos, quimicamente activa. Poderia suportar um metabolismo. Alguns tipos de moléculas gostam de se associar com o barro. Por exemplo, neste caso, o ARN, a vermelho - este é um parente do ADN, é uma molécula informacional - pode chegar e começar a associar-se com a superfície deste barro. Esta estrutura, então, pode organizar a formação de uma fronteira de membrana à volta de si mesma, para que crie um corpo de moléculas líquidas à volta de si mesma, e vemos isso a verde aqui neste micrográfico. Então, apenas com a auto-montagem, misturando coisas no laboratório, podemos criar, por exemplo, uma superfície metabólica com algumas moléculas informacionais ligadas dentro deste corpo de membrana, certo?

Então, estamos numa estrada a caminho dos sistemas vivos. Mas se vissem esta protocécula, não confundiriam isto com algo que estivesse realmente vivo. É na verdade algo bastante sem vida. Assim que se forma, de facto não faz nada. Então, falta alguma coisa. Faltam algumas coisas. Algumas das coisas que faltam são, por exemplo, se tivermos um fluxo de energia através de um sistema, o que quereríamos seria uma protocélula que conseguisse colher alguma dessa energia de modo a sustentar-se, tal como fazem os sistemas vivos. Então concebemos um modelo de protocélula diferente, e este é na verdade mais simples que o anterior. Neste modelo de protocélula, uma simples gota de óleo, mas com um metabolismo químico dentro que permite que esta protocécula use energia para fazer algo, para de facto se tornar dinâmica, como iremos ver aqui. Adicionamos a gota ao sistema. É uma vasilha de água, e a protocélula move-se pelo sistema. Certo? A gota de óleo forma-se através da auto-montagem, tem um metabolismo químico dentro para que possa usar energia, e usa essa energia para se mover pelo seu meio ambiente.

Como escutámos antes, o movimento é muito importante neste tipo de sistemas vivos. Está a mover-se, a explorar o meio ambiente, e a remodelar o seu meio ambiente, como vêem, através destas ondas químicas que se formam à volta da protocélula. Então está a agir, em certo sentido, como um sistema vivo tentando auto perservar-se. Pegamos nesta mesma protocélula móvel aqui, e colocamo-la noutra experiência, pômo-la a mexer-se. A seguir vou adicionar alguma comida ao sistema, e vão vê-lo em azul aqui, certo? Então adiciono alguma comida ao sistema. A protocélula move-se. Encontra a comida. Reconfigura-se e a seguir é capaz de ir até à mais alta concentração de comida naquele sistema e parar por ali. Certo? Então não só temos este sistema que tem um corpo, tem um metabolismo, consegue usar energia, consegue mover-se. Consegue sentir o seu meio ambiente local e realmente encontrar recursos no meio ambiente para se sustentar.

Ora bem, isto não tem um cérebro, não tem um sistema neural. Isto é apenas um saco de químicos que é capaz de ter este comportamento interessante e complexo semelhante à vida. Se contarmos o número de químicos naquele sistema, na verdade, incluindo a água, que está no prato, encontramos cinco químicos que conseguem fazer isto. Então a seguir juntamos estas protocélulas numa única experiência para ver o que fazem, e dependendo das condições, temos algumas protocélulas à esquerda que se mexem e gostam de tocar as outras estruturas no seu meio ambiente. Por outro lado temos duas protocélulas que gostam de se mover em círculos à volta uma da outra, e fazem uma espécie de dança, uma dança complexa uma com a outra. Certo? Então não só as protocéculas individuais têm comportamento, aquilo que interpretámos como comportamento neste sistemas, mas também temos comportamento básico tipo-população. semelhante ao que apresentam os organismos. Então, agora que são todos peritos em protocélulas, vamos jogar um jogo com estas protocélulas. Vamos fazer dois tipos diferentes. A protocélula A tem um certo tipo de química dentro que, quando activada, faz com que a protocélula vibre, simplesmente dançando. Então lembrem-se, isto são coisas primitivas, são protocéculas dançarinas, é algo que achamos muito interessante. (Risos)

A segunda protocélula tem um tipo diferente de química dentro, e quando activada todas as protocélulas se juntam e fundem numa única grande protocélula. Certo? E simplesmente juntamos as duas no mesmo sistema. Então aqui está a população A, aqui está a população B, e depois activamos o sistema, e as protocélulas B, são as azuis, juntam-se todas. Fundem-se para formar uma grande bolha, e as outras protocélulas apenas dançam. E isto apenas acontece até que toda a energia do sistema é gasta, e então, game over, acabou. Então eu repeti esta experiência um monte de vezes, e uma vez algo muito interessante aconteceu. Então, adicionei estas protocélulas ao sistema, e as protocélulas A e B fundiram-se para formar uma protocélula híbrida AB. Isso não tinha acontecido antes. Aqui está. Agora há uma protocélula AB neste sistema. A protocélula AB gosta de dançar um bocado, enquanto a protocélula B gosta de se fundir, certo?

Mas então algo ainda mais interessante acontece. Observem quando estas duas grandes protocélulas, as híbridas, se fundem. Agora temos uma protocélula dançarina e um evento auto-replicador. Certo. (Risos) Só com bolhas de químicos, de novo. A forma como isto funciona é, temos um sistema simples de cinco químicos aqui, um sistema simples aqui. Quando se tornam híbridos, então forma-se algo que é diferente do que havia antes, que é mais complexo do que antes, e temos a emergência de um outro tipo de comportamento semelhante à vida, que neste caso é a replicação.

Então, uma vez que que conseguimos criar algumas protocélulas interessantes de que gostamos, cores interessantes e comportamentos interessantes, e são muito fáceis de produzir, e apresentam interessantes propriedades semelhantes à vida, talvez estas protocélulas tenham algo a dizer-nos sobre a origem da vida na Terra. Talvez representem um passo facilmente acessível, um dos primeiros passos através dos quais a vida tenha começado da Terra primitiva. Certamente, haveria moléculas presentes na Terra primitiva, mas não teriam sido estes compostos puros com que trabalhámos no laboratório e que mostrei nestas experiências. Em vez disso, seriam uma verdadeira mistura complexa de todo o tipo de materiais, porque reacções químicas descontroladas produzem uma mistura diversa de compostos orgânicos. Penso nisto como um lodo primordial, ok? E é um charco que é demasiado difícil de descrever completamente, mesmo com métodos modernos, e o resultado tem um aspecto castanho, como este alcatrão aqui à esquerda. Um composto puro é mostrado à direita, para comparação.

Isto é semelhante ao que acontece quando se pega em cristais de açúcar puros da vossa cozinha, se colocam numa panela, e se aplica energia. Aumenta-se o calor, e começa-se a fazer ou quebrar ligações químicas no açúcar, formando um caramelo acastanhado, certo? Se se deixar esse processo continuar, desregulado, as ligações químicas continuarão a ser feitas e quebradas, formando uma mistura ainda mais diversa de moléculas que então forma esta espécie de alcatrão preto na vossa panela, certo, que é difícil de lavar. Ora, isso é o aspecto que a origem da vida deve ter tido. Era necessário tirar a vida para fora dessa mistela que havia na Terra primitiva, há 4, 4,5 mil milhões de anos. Então o desafio é, deitar fora todos os químicos puros no laboratório, e tentar fazer algumas protocélulas com propriedades semelhantes à vida a partir desta espécie de lodo primordial.

Para que sejamos então capazes de ver a auto-montagem de novo destes corpos de gotas de óleo que vimos anteriormente, e os pontos negros dentro representam esta espécie de alcatrão - este alcatrão preto, orgânico, diverso, muito complexo. E colocamo-las numa destas experiências, como viram anteriormente, e depois observamos os movimentos vigorosos que ocorrem. Têm muito bom aspecto, belos movimentos, e também parecem ter algum tipo de comportamento em que fazem uma espécie de círculos à volta umas das outras e se seguem umas às outras, tal como tínhamos visto antes - mas de novo, estamos a trabalhar apenas com condições primordiais, nada de químicos puros. Há também estas protocéculas movidas a alcatrão, que também são capazes de localizar recursos no seu meio ambiente. Vou adicionar alguns recursos à esquerda, aqui, que se dissipa no sistema, e podem ver, elas gostam mesmo daquilo. Tornam-se muito enérgicas, e capazes e encontrar recursos no meio ambiente, tal como vimos anteriormente. Mas de novo, isto é feito em condições primordiais em condições de mesmo muita bagunça, e não nas condições de esterilidade de um laboratório. Estas são protocélulas muito porcas, na verdade. (Risos) Mas têm propriedades semelhantes à vida, é essa a questão.

Portanto, fazer estas experiências de vida artificial ajuda-nos a definir um rumo potencial entre os sistemas não-vivos e sistemas vivos. E não só, mas ajuda-nos também a alargar a nossa visão do que é a vida e da vida possível que poderá haver lá fora - vida que poderá ser muito diferente da vida que encontramos aqui na Terra. E isto leva-me à próxima expressão, que é "vida esquisita." Esta é uma expressão do Steve Benner. É usada como referência a um relatório de 2007 do National Research Council nos Estados Unidos, em que tentaram compreender como olhamos para a vida noutros locais do universo, certo, especialmente se a vida é muito diferente da vida na Terra. Se fôssemos a outro planeta e pensássemos que poderia lá haver vida, como poderíamos ao menos reconhecê-la como vida?

Bem, eles apresentaram três critérios muitos gerais. Primeiro - e a lista está aqui. O primeiro, o sistema tem de estar em não-equilíbrio. Isso significa que o sistema não pode estar morto, na verdade. Basicamente, isso significa que, temos uma entrada de energia no sistema que a vida pode usar e explorar para se sustentar. Isso é semelhante a ter o Sol a iluminar a Terra, a accionar a fotossíntese, a accionar o ecossistema. Sem o Sol, o mais provável é não haver vida neste planeta. Em segundo lugar, a vida tem de estar no estado líquido, isso significa que mesmo que tivéssemos algumas estruturas interessantes, moléculas interessantes juntas mas estivessem congeladas, sólidas, então esse não é um bom lugar para a vida. E em terceiro lugar, temos de ser capazes de criar e quebrar ligações químicas. E de novo isto é importante porque a vida transforma recursos do meio ambiente em blocos de construção para que se sustente.

Ora hoje, disse-vos algo muito estranho sobre protocélulas esquisitas - algumas que contêm barro, algumas que têm lodo primordial, algumas que têm basicamente óleo em vez de água dentro delas. A maioria não contêm ADN, e no entanto têm propriedades semelhantes à vida. Mas estas protocélulas satisfazem estes requisitos gerais dos sistemas vivos. Então, ao criar estas experiências de vida artificial, química, esperamos não só compreender algo fundamental acerca da origem da vida e da existência da vida neste planeta, mas também sobre que vida possível poderá haver lá fora no universo. Obrigado. (Aplausos)