Un coacervado ( / koʊəˈsɜːrvət / o / koʊˈæsərveɪt / ) 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 da lugar 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 coacervado. Estas estructuras despiertan mucho interés porque se forman espontáneamente a partir de mezclas acuosas y proporcionan una compartimentación estable sin necesidad de una membrana: son candidatas a protocélulas .
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 tomado posteriormente por el biólogo ruso Alexander I. Oparin para describir las microesferas proteínoides que se proponía que eran células primitivas (protocélulas) en la Tierra primitiva . [2] Las protocélulas similares a los coacervados son el núcleo de la hipótesis de Oparin-Haldane .
En la década de 2000 se observó un resurgimiento de la investigación sobre coacervados, a partir del reconocimiento en 2004 por parte de científicos de la Universidad de California, Santa Bárbara (UCSB) de que algunos invertebrados marinos (como el gusano de arena) explotan la coacervación compleja para producir adhesivos biológicos resistentes al agua. [3] [4] Unos años más tarde, en 2009, los biofísicos Clifford Brangwynne y Tony Hyman reconocieron además que la separación de fases líquido-líquido estaba implicada en la formación de ciertos orgánulos sin membrana . [5] Los orgánulos líquidos comparten características con las gotitas de coacervados e impulsaron el estudio de los coacervados para la biomimética. [6] [7]
Los coacervados son un tipo de coloide liófilo ; es decir, la fase densa retiene algo del solvente 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 de las LLPS: asociativas o segregativas . Las LLPS asociativas están dominadas por interacciones atractivas entre macromoléculas (como la fuerza electrostática entre polímeros con carga opuesta), y las LLPS segregativas están impulsadas por la minimización de interacciones repulsivas (como el efecto hidrofóbico en proteínas que contienen una región desordenada).
La termodinámica de las LLPS segregativas se puede describir mediante un modelo de mezcla de polímeros de Flory-Huggins (ver ecuación). [8] [9] En soluciones de polímeros ideales, la energía libre de mezcla (Δ mix G) es negativa porque la entropía de mezcla (Δ mix S, combinatoria en el enfoque de Flory-Huggins ) es positiva y las entalpías de interacción se toman todas como equivalentes (Δ mix H o χ = 0). En soluciones no ideales, Δ mix H puede ser diferente de cero, y el proceso lo suficientemente endotérmico para superar el término entrópico y favorecer el estado desmezclado (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 crecientes N 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 se cruza lentamente la región binodal) y descomposición espinodal. [10] [11]
Los LLPS asociativos son más complejos de describir, ya que ambos polímeros de soluto están presentes en la fase diluida y densa. Los coacervados complejos basados en 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 los 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 la membrana (por ejemplo, la mitocondria , el núcleo o el 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 (por ejemplo, gránulos de estrés , cuerpos de procesamiento ) y en el núcleo (por ejemplo, nucléolo , motas nucleares ). Se ha demostrado que cumplen varias funciones: pueden almacenar y proteger material celular durante condiciones de estrés, [16] participan en la expresión genética [17] [18] y están involucrados en el control de la transducción de señales . [19] [20]
Actualmente 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 se pueden reconstituir a partir de proteínas y ARN purificados in vitro. [20] Sin embargo, sigue siendo discutible si los MLO deberían denominarse líquidos. Incluso si inicialmente son similares a los líquidos, con el tiempo algunos de ellos maduran y se convierten en sólidos (similares a geles 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. Las IDR pueden proporcionar interacciones responsables de las LLPS, pero con el tiempo los cambios conformacionales (a veces promovidos por mutaciones o modificaciones postraduccionales ) pueden conducir a la formación de estructuras de mayor orden y la solidificación de MLO. [10] Algunos MLO cumplen su función biológica como partículas sólidas (por ejemplo, el cuerpo de Balbiani estabilizado por la estructura de lámina β [23] ), pero en muchos casos la transformación de líquido a sólido da como resultado la formación de agregados patológicos. [24] Los ejemplos de proteínas que separan la fase líquido-líquido y propensas a la agregación 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 las sales y la temperatura a menudo se podían utilizar para provocar la floculación de un coloide. El químico alemán FW Tiebackx informó en 1911 [29] que la floculación también se podía inducir en ciertas soluciones de polímeros mezclándolas entre sí. En particular, informó de la observación de opalescencia (una mezcla turbia) cuando se mezclaron volúmenes iguales de solución de gelatina “lavada” acidificada al 0,5% y 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 informó en su tesis doctoral (Utrecht, 1921) de dos tipos de floculación en soluciones de agar: una que conduce a un estado suspensoide y otra que conduce a un estado emulsoide. [30] Observó el estado emulsoide bajo el microscopio y describió pequeñas partículas que se fusionaban para formar partículas más grandes (Tesis, pág. 82), muy probablemente una descripción de gotas de coacervados coalescentes. Varios años después, en 1929, Bungenberg-de Jong publicó un artículo seminal con su asesor de doctorado, HR Kruyt, titulado “Coacervación. Miscibilidad parcial en sistemas coloidales”. [31] En su artículo, dan muchos más ejemplos de sistemas coloidales que floculan en un estado emulsivo, ya sea variando la temperatura, añadiendo sales, cosolventes o mezclando dos coloides poliméricos de carga opuesta, e ilustran sus observaciones con las primeras imágenes microscópicas de gotitas de coacervado. Llaman a este fenómeno coacervación, derivado del prefijo co y la palabra latina acervus (montón), que se relaciona con las gotitas densas de líquido. Por lo tanto, coacervación se traduce libremente como 'juntarse 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 la protocélula sobre el origen de la vida. [32] En su modelo inicial de protocélula, Oparin se inspiró en la descripción de Graham de los coloides de 1861 como sustancias que generalmente dan soluciones turbias y no pueden atravesar membranas. Oparin relacionó estas propiedades con el 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 sobre su modelo de protocélula. Describió el trabajo de Bungenberg-de Jong sobre coacervados en su libro de 1938 y postuló que las primeras protocélulas fueron coacervados. [33]
Otros investigadores siguieron el ejemplo y en los años 1930 y 1940 se informaron varios ejemplos de coacervación, por Bungenberg-de Jong, Oparin, Koets, Bank, Langmuir y otros. En los años 1950 y 1960, el enfoque se desplazó a una descripción teórica del fenómeno de la coacervación (compleja). Voorn y Overbeek desarrollaron la primera teoría de campo medio para describir la coacervación. [12] Estimaron la energía libre total de la mezcla como una suma de los términos de entropía de mezcla y las interacciones electrostáticas de campo medio en una aproximación de Debye-Hückel . Veis y Aranyi sugirieron extender este modelo con un paso de agregación electrostática en el que se forman agregados solubles simétricos con cargas emparejadas, seguido de una separación de fases en gotitas de líquido. [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 por 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 independientemente en la década de 1920 la hipótesis de que las primeras células de los océanos de la Tierra primitiva podrían ser, en esencia, gotitas de coacervados. Haldane utilizó el término sopa primordial para referirse a la mezcla diluida de moléculas orgánicas que podrían haberse formado como resultado de reacciones entre bloques de construcción inorgánicos como el amoníaco, el dióxido de carbono y el agua, en presencia de luz ultravioleta como fuente de energía. [35] Oparin propuso que los bloques de construcción simples con una complejidad creciente podrían organizarse localmente, o autoensamblarse, para formar protocélulas con propiedades vivas. [36] Realizó experimentos basados en los agregados coloidales de Bungenberg de Jong (coacervados) para encapsular proteinoides y enzimas dentro de las protocélulas. El trabajo de los químicos Sidney Fox, Kaoru Harada, Stanley Miller y Harold Urey fortaleció aún más la teoría de que los bloques de construcción inorgánicos podrían aumentar en complejidad y dar lugar a estructuras similares a las células. [37]
La hipótesis de Oparin-Haldane sentó las bases de la investigación sobre la química de la abiogénesis , pero los escenarios del mundo lipídico 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, en resonancia con los hallazgos actuales de que las reacciones demasiado lentas o improbables en soluciones acuosas pueden verse significativamente favorecidas 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 )\right]+\Delta _{\operatorname {mix} }H}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b61ae732e00d0a6117653cb6d0d18e32638b43f2)
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