Коацерват ( / k oʊ ə ˈ s ɜːr v ə t / или / k oʊ ˈ æ s ər v eɪ t / ) — водная фаза, богатая макромолекулами, такими как синтетические полимеры , белки или нуклеиновые кислоты . Она образуется посредством разделения фаз жидкость-жидкость (LLPS) , что приводит к плотной фазе в термодинамическом равновесии с разбавленной фазой. Диспергированные капли плотной фазы также называются коацерватами, микрокоацерватами или каплями коацервата. Эти структуры вызывают большой интерес, поскольку они образуются спонтанно из водных смесей и обеспечивают стабильную компартментализацию без необходимости в мембране — они являются кандидатами на роль протоклеток .
Термин коацерват был придуман в 1929 году голландским химиком Хендриком Г. Бунгенбергом де Йонгом и Хьюго Р. Крюйтом при изучении лиофильных коллоидных дисперсий. [1] Название является отсылкой к скоплению коллоидных частиц, подобно пчелам в рое . Позднее эта концепция была заимствована русским биологом Александром И. Опариным для описания протеиноидных микросфер, предположительно являющихся примитивными клетками (протоклетками) на ранней Земле . [2] Коацерватоподобные протоклетки лежат в основе гипотезы Опарина-Холдейна .
Возрождение исследований коацерватов наблюдалось в 2000-х годах, начиная с признания в 2004 году учеными Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB), что некоторые морские беспозвоночные (например, черви Sandcastle) используют сложную коацервацию для производства водостойких биологических клеев. [3] [4] Несколько лет спустя, в 2009 году, биофизики Клиффорд Брэнгвинн и Тони Хайман дополнительно признали роль разделения фаз жидкость-жидкость в формировании определенных безмембранных органелл . [5] Жидкие органеллы имеют общие черты с коацерватными каплями и подтолкнули к изучению коацерватов для биомимикрии. [6] [7]
Коацерваты — это тип лиофильного коллоида ; то есть плотная фаза сохраняет часть исходного растворителя — обычно воду — и не разрушается в твердые агрегаты, а сохраняет свойство жидкости. Коацерваты можно охарактеризовать как сложные или простые на основе движущей силы для LLPS: ассоциативной или сегрегационной . Ассоциативная LLPS доминирует за счет притягивающих взаимодействий между макромолекулами (например, электростатическая сила между противоположно заряженными полимерами), а сегрегационная LLPS обусловлена минимизацией отталкивающих взаимодействий (например, гидрофобного эффекта на белки, содержащие неупорядоченную область).
Термодинамику сегрегационного LLPS можно описать с помощью модели смешивания полимеров Флори-Хаггинса (см. уравнение). [8] [9] В идеальных полимерных растворах свободная энергия смешивания (Δ mix G) отрицательна, поскольку энтропия смешивания (Δ mix S, комбинаторная в подходе Флори-Хаггинса ) положительна, а все энтальпии взаимодействия принимаются как эквивалентные (Δ mix H или χ = 0). В неидеальных растворах Δ mix H может отличаться от нуля, а процесс достаточно эндотермичен, чтобы преодолеть энтропийный член и способствовать раздельному состоянию (синяя кривая смещается вверх). Растворенные вещества с низкой молекулярной массой вряд ли достигнут такой неидеальности, тогда как для полимерных растворенных веществ с увеличением мест взаимодействия N и, следовательно, уменьшением энтропийного вклада простая коацервация гораздо более вероятна.
Фазовая диаграмма смеси может быть предсказана путем экспериментального определения двухфазной границы или бинодальной кривой. В упрощенном теоретическом подходе биноды являются составами, при которых свободная энергия расслоения минимальна (
), при различных температурах (или другом параметре взаимодействия). Альтернативно, минимизируя изменение свободной энергии расслоения в отношении состава ( ), определяется спинодальная кривая. Условия смеси в сравнении с двумя кривыми определяют механизм разделения фаз: зародышеобразование-рост коацерватных капель (когда бинодальная область пересекается медленно) и спинодальный распад. [10] [11]
Ассоциативный LLPS описать сложнее, поскольку оба растворенных полимера присутствуют в разбавленной и плотной фазе. Электростатические комплексные коацерваты являются наиболее распространенными, и в этом случае растворенными веществами являются два полиэлектролита с противоположным зарядом. Подход Вурна-Овербека применяет приближение Дебая-Хюккеля к энтальпийному члену в модели Флори-Хаггинса и рассматривает два полиэлектролита одинаковой длины и с одинаковой концентрацией. [12] [13] Комплексные коацерваты являются подмножеством водных двухфазных систем (ATPS), которые также включают сегрегированно разделенные системы, в которых обе фазы обогащены одним типом полимера.
Безмембранные органеллы (MLO), также известные как биомолекулярные конденсаты , [14] [15] являются формой клеточной компартментализации . В отличие от классических мембраносвязанных органелл (например, митохондрий , ядер или лизосом ), MLO не отделены от своего окружения липидным бислоем . MLO в основном состоят из белков и нуклеиновых кислот, удерживаемых вместе слабыми межмолекулярными силами.
MLO присутствуют в цитоплазме (например, стрессовые гранулы , процессирующие тельца ) и в ядре (например, ядрышко , ядерные спеклы ). Было показано, что они выполняют различные функции: они могут хранить и защищать клеточный материал в условиях стресса, [16] они участвуют в экспрессии генов [17] [18] и они вовлечены в контроль передачи сигнала . [19] [20]
В настоящее время широко распространено мнение, что MLO образуются через LLPS. Это было впервые предложено после наблюдения за тем, что тельца Кахаля [21] и гранулы P [22] проявляют свойства, подобные жидкостям, и позднее было подтверждено, когда было показано, что жидкие конденсаты могут быть восстановлены из очищенного белка и РНК in vitro. [20] Однако вопрос о том, следует ли называть MLO жидкостями, остается спорным. Даже если изначально они похожи на жидкости, со временем некоторые из них созревают в твердые тела (гелеобразные или даже кристаллические, в зависимости от степени пространственного упорядочения внутри конденсата). [14]
Многие белки, участвующие в формировании MLO, содержат так называемые внутренне неупорядоченные области (IDR), части полипептидной цепи, которые могут принимать множественные вторичные структуры и образовывать случайные спирали в растворе. IDR могут обеспечивать взаимодействия, ответственные за LLPS, но со временем конформационные изменения (иногда вызванные мутациями или посттрансляционными модификациями ) могут привести к образованию более упорядоченных структур и затвердеванию MLO. [10] Некоторые MLO выполняют свою биологическую роль как твердые частицы (например, тельце Бальбиани , стабилизированное структурой β-слоя [23] ), но во многих случаях преобразование из жидкости в твердое состояние приводит к образованию патологических агрегатов. [24] Примерами как разделяющих фазу жидкость-жидкость, так и склонных к агрегации белков являются FUS , [25] TDP-43 [26] [27] и hnRNPA1 . [28] Агрегаты этих белков связаны с нейродегенеративными заболеваниями (например, боковой амиотрофический склероз или лобно-височная деменция ). [24]
В начале 20-го века ученые заинтересовались стабильностью коллоидов, как дисперсий твердых частиц, так и растворов полимерных молекул. Было известно, что соли и температура часто могут быть использованы для того, чтобы вызвать флокуляцию коллоида. Немецкий химик Ф. В. Тибаккс сообщил в 1911 году [29] , что флокуляция также может быть вызвана в некоторых полимерных растворах путем их смешивания. В частности, он сообщил о наблюдении опалесценции (мутной смеси) при смешивании равных объемов подкисленного 0,5% «промытого» раствора желатина и 2% раствора гуммиарабика. Тибаккс не анализировал далее природу хлопьев, но вполне вероятно, что это был пример сложной коацервации.
Голландский химик Х. Г. Бюнгенберг-де Йонг в своей докторской диссертации (Утрехт, 1921) сообщил о двух типах флокуляции в растворах агара: один, который приводит к суспензоидному состоянию, и другой, который приводит к эмульсоидному состоянию. [30] Он наблюдал эмульсоидное состояние под микроскопом и описал мелкие частицы, которые слились в более крупные частицы (диссертация, стр. 82), скорее всего, описание коалесцирующих коацерватных капель. Несколько лет спустя, в 1929 году, Бюнгенберг-де Йонг опубликовал основополагающую статью со своим научным руководителем Х. Р. Крюйтом под названием «Коацервация. Частичная смешиваемость в коллоидных системах». [31] В своей статье они приводят еще много примеров коллоидных систем, которые флоккулируют в эмульсоидное состояние, либо путем изменения температуры, либо путем добавления солей, сорастворителей, либо путем смешивания двух противоположно заряженных полимерных коллоидов, и иллюстрируют свои наблюдения первыми микроскопическими снимками коацерватных капель. Они называют это явление коацервацией, происходящей от префикса co и латинского слова acervus (куча), которое относится к плотным жидким каплям. Таким образом, коацервация вольно переводится как «собираться в кучу». С тех пор Бунгенберг-де Йонг и его исследовательская группа в Лейдене опубликовали ряд статей о коацерватах, включая результаты по самокоацервации, солевым эффектам, межфазному натяжению, многофазным коацерватам и коацерватам на основе поверхностно-активных веществ.
Тем временем русский химик Александр Опарин опубликовал новаторскую работу, в которой изложил свою теорию протоклеток о происхождении жизни. [32] В своей первоначальной модели протоклеток Опарин черпал вдохновение из описания коллоидов Грэхемом в 1861 году как веществ, которые обычно дают мутные растворы и не могут проходить через мембраны. Опарин связал эти свойства с протоплазмой и предположил, что осадки коллоидов образуются в виде сгустков или комков слизи или желе, некоторые из которых имеют структурные особенности, напоминающие протоплазму. По мнению Опарина, протоклетки могли, следовательно, образоваться путем осаждения коллоидов. В своей более поздней работе Опарин более конкретно изложил свою модель протоклеток. Он описал работу Бунгенберга-де Йонга по коацерватам в своей книге 1938 года и предположил, что первые протоклетки были коацерватами. [33]
Другие исследователи последовали за ними, и в 1930-х и 1940-х годах были опубликованы различные примеры коацервации: Бунгенберг-де Йонг, Опарин, Коетс, Банк, Ленгмюр и другие. В 1950-х и 1960-х годах внимание переключилось на теоретическое описание явления (сложной) коацервации. Воорн и Овербек разработали первую теорию среднего поля для описания коацервации. [12] Они оценили общую свободную энергию смешивания как сумму членов энтропии смешивания и электростатических взаимодействий среднего поля в приближении Дебая-Хюккеля . Вейс и Арани предложили расширить эту модель с помощью этапа электростатической агрегации, на котором образуются симметричные растворимые агрегаты с парными зарядами, за которыми следует фазовое разделение на жидкие капли. [34]
В последующие десятилетия, примерно до 2000 года, научный интерес к коацерватам угас. Теория Опарина о роли коацерватов в происхождении жизни была заменена интересом к гипотезе мира РНК. Возобновленный интерес к коацерватам возник, когда ученые осознали значимость и универсальность взаимодействий, лежащих в основе сложной коацервации в естественном производстве биологических материалов и в их самосборке.
С 2009 года коацерваты стали связывать с безмембранными органеллами, и возобновился интерес к коацерватам как к протоклеткам.
Русский биохимик Александр Опарин и британский биолог Дж. Б. С. Холдейн независимо друг от друга выдвинули гипотезу в 1920-х годах, что первые клетки в ранних океанах Земли могли быть, по сути, коацерватными каплями. Холдейн использовал термин « первичный бульон» для обозначения разбавленной смеси органических молекул, которые могли образоваться в результате реакций между неорганическими строительными блоками, такими как аммиак, углекислый газ и вода, в присутствии ультрафиолетового света в качестве источника энергии. [35] Опарин предположил, что простые строительные блоки с возрастающей сложностью могут организовываться локально или самоорганизовываться, образуя протоклетки со свойствами жизни. [36] Он провел эксперименты, основанные на коллоидных агрегатах (коацерватах) Бюнгенберга де Йонга, для инкапсуляции протеиноидов и ферментов внутри протоклеток. Работы химиков Сидни Фокса, Каору Харады, Стэнли Миллера и Гарольда Юри еще больше укрепили теорию о том, что неорганические строительные блоки могут увеличиваться в сложности и давать начало клеточноподобным структурам. [37]
Гипотеза Опарина-Халдейна заложила основы исследований химии абиогенеза , но сценарии липидного мира и РНК-мира привлекли больше внимания с 1980-х годов благодаря работам Моровица, Луизи и Шостака. Однако в последнее время возрос интерес к коацерватам как к протоклеткам, что соответствует текущим выводам о том, что реакции, слишком медленные или маловероятные в водных растворах, могут быть значительно предпочтительны в таких безмембранных отсеках. [38] [39]
{{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ){{cite book}}
: |last=
имеет общее название ( помощь )CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )