El coacervado ( / k oʊ ə ˈ s ɜːr v ə t / o / k oʊ ˈ æ s ər v eɪ t / ) es una fase acuosa rica en macromoléculas como polímeros sintéticos , proteínas o ácidos nucleicos . Se forma mediante separación de fases líquido-líquido (LLPS) , lo que lleva a una fase densa en equilibrio termodinámico con una fase diluida. Las gotitas dispersas de la fase densa también se denominan coacervados, microcoacervados o gotitas de coacervados. Estas estructuras atraen mucho interés porque se forman espontáneamente a partir de mezclas acuosas y proporcionan una compartimentación estable sin necesidad de una membrana.
El término coacervado fue acuñado en 1929 por el químico holandés Hendrik G. Bungenberg de Jong y Hugo R. Kruyt mientras estudiaban dispersiones coloidales liófilas. [1] El nombre es una referencia a la agrupación de partículas coloidales, como abejas en un enjambre . El concepto fue posteriormente tomado prestado por el biólogo ruso Alexander I. Oparin para describir las microesferas proteinoides propuestas como células primitivas (protocélulas) en la Tierra primitiva . [2] Las protocélulas de tipo coacervado son el núcleo de la hipótesis de Oparin-Haldane .
En la década de 2000 se observó un renacimiento de la investigación sobre coacervados, comenzando con el reconocimiento en 2004 por científicos de la Universidad de California en Santa Bárbara (UCSB) de que algunos invertebrados marinos (como el gusano castillo de arena) explotan una coacervación compleja para producir productos biológicos resistentes al agua. adhesivos. [3] [4] Unos años más tarde, en 2009, los biofísicos Clifford Brangwynne y Tony Hyman reconocieron además que el papel de la separación de fases líquido-líquido estaba involucrado en la formación de ciertos orgánulos sin membrana . [5] Los orgánulos líquidos comparten características con las gotas de coacervados e impulsaron el estudio de los coacervados para la biomimética. [6] [7]
Los coacervados son un tipo de coloide liofílico ; es decir, la fase densa retiene parte del disolvente original (generalmente agua) y no colapsa en agregados sólidos, sino que mantiene una propiedad líquida. Los coacervados se pueden caracterizar como complejos o simples según la fuerza impulsora del LLPS: asociativo o segregativo . El LLPS asociativo está dominado por interacciones atractivas entre macromoléculas (como la fuerza electrostática entre polímeros con cargas opuestas), y el LLPS segregativo está impulsado por la minimización de interacciones repulsivas (como el efecto hidrofóbico sobre proteínas que contienen una región desordenada).
La termodinámica de los LLPS segregativos se puede describir mediante un modelo de mezcla de polímeros de Flory-Huggins (ver ecuación). [8] [9] En soluciones poliméricas ideales, la energía libre de la mezcla (Δ mezcla G) es negativa porque la entropía de mezcla (Δ mezcla S, combinatoria en el enfoque de Flory-Huggins ) es positiva y se toman todas las entalpías de interacción. como equivalente (Δ mix H o χ = 0). En soluciones no ideales, Δ mezcla H puede ser diferente de cero, y el proceso es lo suficientemente endotérmico como para superar el término entrópico y favorecer el estado sin mezclar (la curva azul se desplaza hacia arriba). Los solutos de bajo peso molecular difícilmente alcanzarán tal no idealidad, mientras que para los solutos poliméricos, con sitios de interacción N crecientes y, por lo tanto, contribución entrópica decreciente, la coacervación simple es mucho más probable.
El diagrama de fases de la mezcla se puede predecir determinando experimentalmente el límite de dos fases o curva binodal. En un enfoque teórico simplista, los binodos son las composiciones en las que la energía libre de desmezcla es mínima (
), a diferentes temperaturas (u otro parámetro de interacción). Alternativamente, al minimizar el cambio en la energía libre de la desmezcla con respecto a la composición ( ), se define la curva espinodal . Las condiciones de la mezcla en comparación con las dos curvas definen el mecanismo de separación de fases: nucleación-crecimiento de gotitas de coacervado (cuando la región binodal se cruza lentamente) y descomposición espinodal. [10] [11]
El LLPS asociativo es más complejo de describir, ya que ambos polímeros de soluto están presentes en la fase diluida y densa. Los coacervados complejos de base electrostática son los más comunes y en ese caso los solutos son dos polielectrolitos de carga opuesta. El enfoque de Voorn-Overbeek aplica la aproximación de Debye-Hückel al término entálpico en el modelo de Flory-Huggins y considera dos polielectrolitos de la misma longitud y en la misma concentración. [12] [13] Los coacervados complejos son un subconjunto de sistemas acuosos de dos fases (ATPS), que también incluyen sistemas separados segregativamente en los que ambas fases están enriquecidas en un tipo de polímero.
Los orgánulos sin membrana (MLO), también conocidos como condensados biomoleculares , [14] [15] son una forma de compartimentación celular . A diferencia de los orgánulos clásicos unidos a una membrana (p. ej. , mitocondria , núcleo o lisosoma ), los MLO no están separados de su entorno por una bicapa lipídica . Los MLO están compuestos principalmente de proteínas y ácidos nucleicos, unidos por fuerzas intermoleculares débiles.
Los MLO están presentes en el citoplasma (p. ej., gránulos de estrés , cuerpos de procesamiento ) y en el núcleo (p. ej. , nucléolo , motas nucleares ). Se ha demostrado que cumplen diversas funciones: pueden almacenar y proteger material celular durante condiciones de estrés, [16] participan en la expresión genética [17] [18] y participan en el control de la transducción de señales . [19] [20]
Ahora se cree ampliamente que los MLO se forman a través de LLPS. Esto se propuso por primera vez después de observar que los cuerpos de Cajal [21] y los gránulos de P [22] muestran propiedades similares a las de los líquidos, y luego se confirmó al demostrar que los condensados líquidos pueden reconstituirse a partir de proteínas y ARN purificados in vitro. [20] Sin embargo, sigue siendo discutible si los MLO deben denominarse líquidos. Aunque inicialmente son líquidos, con el tiempo algunos de ellos maduran hasta convertirse en sólidos (en forma de gel o incluso cristalinos, dependiendo del grado de ordenamiento espacial dentro del condensado). [14]
Muchas proteínas que participan en la formación de MLO contienen las llamadas regiones intrínsecamente desordenadas (IDR), partes de la cadena polipeptídica que pueden adoptar múltiples estructuras secundarias y formar espirales aleatorias en solución. Los IDR pueden proporcionar interacciones responsables de LLPS, pero con el tiempo los cambios conformacionales (a veces promovidos por mutaciones o modificaciones postraduccionales ) pueden conducir a la formación de estructuras de orden superior y la solidificación de MLO. [10] Algunos MLO cumplen su función biológica como partículas sólidas (por ejemplo, el cuerpo de Balbiani estabilizado por una estructura de lámina β [23] ), pero en muchos casos la transformación de líquido a sólido da como resultado la formación de agregados patológicos. [24] Ejemplos de proteínas propensas a la agregación y separación de fases líquido-líquido incluyen FUS , [25] TDP-43 [26] [27] y hnRNPA1 . [28] Los agregados de estas proteínas están asociados con enfermedades neurodegenerativas (por ejemplo, esclerosis lateral amiotrófica o demencia frontotemporal ). [24]
A principios del siglo XX, los científicos se interesaron por la estabilidad de los coloides, tanto las dispersiones de partículas sólidas como las soluciones de moléculas poliméricas. Se sabía que a menudo se podían utilizar sales y temperatura para provocar la floculación de un coloide. El químico alemán FW Tiebackx informó en 1911 [29] que también se podía inducir la floculación en determinadas soluciones de polímeros mezclándolos. En particular, informó la observación de opalescencia (una mezcla turbia) cuando se mezclaban volúmenes iguales de una solución acidificada de gelatina "lavada" al 0,5% y una solución de goma arábiga al 2%. Tiebackx no analizó más a fondo la naturaleza de los flóculos, pero es probable que se tratara de un ejemplo de coacervación compleja.
El químico holandés HG Bungenberg-de Jong describió en su tesis doctoral (Utrecht, 1921) dos tipos de floculación en soluciones de agar: una que conduce a un estado suspensoide y otra que conduce a un estado emulsionante. [30] Observó el estado emulsionante bajo el microscopio y describió pequeñas partículas que se fusionaban en partículas más grandes (Tesis, p. 82), muy probablemente una descripción de gotitas coacervadas coalescentes. Varios años más tarde, en 1929, Bungenberg-de Jong publicó un artículo fundamental con su asesor de doctorado, HR Kruyt, titulado “Coacervación. Miscibilidad parcial en sistemas coloides”. [31] En su artículo, dan muchos más ejemplos de sistemas coloides que floculan en un estado emulsionante, ya sea variando la temperatura, agregando sales, cosolventes o mezclando dos coloides poliméricos con cargas opuestas, e ilustran sus observaciones con Las primeras imágenes microscópicas de gotas de coacervado. A este fenómeno lo denominan coacervación, derivado del prefijo co y de la palabra latina acervus (montón), que se relaciona con las densas gotas de líquido. Por tanto, coacervación se traduce vagamente como "unirse en un montón". Desde entonces, Bungenberg-de Jong y su grupo de investigación en Leiden publicaron una serie de artículos sobre coacervados, incluidos resultados sobre autocoacervación, efectos de la sal, tensión interfacial, coacervados multifásicos y coacervados basados en surfactantes.
Mientras tanto, el químico ruso Alexander Oparin publicó un trabajo pionero en el que expuso su teoría de las protocélulas sobre el origen de la vida. [32] En su modelo inicial de protocélula, Oparin se inspiró en la descripción que hizo Graham de los coloides de 1861 como sustancias que normalmente dan soluciones turbias y no pueden atravesar las membranas. Oparin vinculó estas propiedades al protoplasma y razonó que los precipitados de coloides se forman como coágulos o grumos de moco o gelatina, algunos de los cuales tienen características estructurales que se asemejan al protoplasma. Según Oparin, las protocélulas podrían haberse formado por precipitación de coloides. En su trabajo posterior, Oparin se volvió más específico acerca de su modelo de protocélula. Describió el trabajo de Bungenberg-de Jong sobre coacervados en su libro de 1938 y postuló que las primeras protocélulas eran coacervados. [33]
Siguieron otros investigadores, y en las décadas de 1930 y 1940 se informaron varios ejemplos de coacervación: Bungenberg-de Jong, Oparin, Koets, Bank, Langmuir y otros. En las décadas de 1950 y 1960, la atención se centró en una descripción teórica del fenómeno de la coacervación (compleja). Voorn y Overbeek desarrollaron la primera teoría del campo medio para describir la coacervación. [12] Estimaron la energía libre total de la mezcla como una suma de los términos de entropía de la mezcla y las interacciones electrostáticas de campo medio en una aproximación de Debye-Hückel . Veis y Aranyi sugirieron ampliar este modelo con un paso de agregación electrostática en el que se forman agregados solubles simétricos con pares de carga, seguidos de una separación de fases en gotas líquidas. [34]
En las décadas posteriores, hasta aproximadamente el año 2000, el interés científico por los coacervados se había desvanecido. La teoría de Oparin sobre el papel de los coacervados en el origen de la vida había sido reemplazada por el interés en la hipótesis del mundo del ARN. El renovado interés en los coacervados se originó cuando los científicos reconocieron la relevancia y versatilidad de las interacciones que subyacen a la coacervación compleja en la fabricación natural de materiales biológicos y en su autoensamblaje.
Desde 2009, los coacervados se han vinculado a orgánulos sin membrana y ha habido un renovado interés en los coacervados como protocélulas.
El bioquímico ruso Aleksander Oparin y el biólogo británico JBS Haldane plantearon de forma independiente en la década de 1920 la hipótesis de que las primeras células de los primeros océanos de la Tierra podrían ser, en esencia, gotitas coacervadas. Haldane utilizó el término sopa primordial para referirse a la mezcla diluida de moléculas orgánicas que podrían haberse formado como resultado de reacciones entre componentes inorgánicos como amoníaco, dióxido de carbono y agua, en presencia de luz ultravioleta como fuente de energía. [35] Oparin propuso que bloques de construcción simples con complejidad creciente podrían organizarse localmente, o autoensamblarse, para formar protocélulas con propiedades vivas. [36] Realizó experimentos basados en los agregados coloidales (coacervados) de Bungenberg de Jong para encapsular proteinoides y enzimas dentro de las protocélulas. Trabajos posteriores de los químicos Sidney Fox, Kaoru Harada, Stanley Miller y Harold Urey fortalecieron aún más la teoría de que los bloques de construcción inorgánicos podrían aumentar en complejidad y dar lugar a estructuras similares a células. [37]
La hipótesis de Oparin-Haldane sentó las bases de la investigación sobre la química de la abiogénesis , pero los escenarios del mundo de los lípidos y del mundo del ARN han ganado más atención desde la década de 1980 con el trabajo de Morowitz, Luisi y Szostak. Sin embargo, recientemente ha habido un creciente interés en los coacervados como protocélulas, lo que coincide con los hallazgos actuales de que las reacciones demasiado lentas o improbables en soluciones acuosas pueden verse favorecidas significativamente en dichos compartimentos sin membrana. [38] [39]
![{\displaystyle \Delta _{mix}G=k_{B}T\left[{\frac {\phi }{N}}\ln \phi +(1-\phi )\ln(1-\phi )\ derecha]+\Delta _{\operatorname {mix} }H}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b61ae732e00d0a6117653cb6d0d18e32638b43f2)
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