Coacervado

Un 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 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 suscitan gran interés porque se forman espontáneamente a partir de mezclas acuosas y proporcionan una compartimentación estable sin necesidad de 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 hace referencia a la agrupación de partículas coloidales, como abejas en un enjambre . El concepto fue posteriormente adoptado por el biólogo ruso Alexander I. Oparin para describir las microesferas proteinoides que se propuso que eran células primitivas (protocélulas) en la Tierra primitiva . ^{[ 2 ]} Las protocélulas tipo coacervado son el núcleo de la hipótesis de Oparin-Haldane .

En la década de 2000 se observó un resurgimiento de la investigación sobre coacervados, que comenzó con el reconocimiento en 2004 por parte de científicos de la Universidad de California, Santa Bárbara (UCSB) de que algunos invertebrados marinos (como el gusano de castillo de arena) aprovechan 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 participa 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 se desintegra en agregados sólidos, sino que conserva propiedades líquidas. Los coacervados se pueden clasificar como complejos o simples según la fuerza impulsora de la separación de fases líquido-líquido (LLPS): asociativa o segregativa . La LLPS asociativa está dominada por interacciones atractivas entre macromoléculas (como la fuerza electrostática entre polímeros con cargas opuestas), mientras que la LLPS segregativa se basa en la minimización de interacciones repulsivas (como el efecto hidrofóbico sobre proteínas que contienen una región desordenada).

La termodinámica de la separación de fases líquido-líquido segregativa se puede describir mediante un modelo de mezcla de polímeros de Flory-Huggins (véase la ecuación). ^{[ 8 ] [ 9 ]} En soluciones de polímeros ideales, la energía libre de mezcla (${\displaystyle \Delta _{\mathrm {mix} }G\equiv \Delta _{\mathrm {mix} }HT\Delta _{\mathrm {mix} }S}$) es negativo porque la entropía de mezcla (${\displaystyle \Delta _{\mathrm {mix} }S}$, combinatoria en el enfoque de Flory-Huggins ) es positiva y todas las entalpías de interacción se toman como equivalentes (${\displaystyle \Delta _{\mathrm {mix} }H=0}$o${\displaystyle \chi =0}$). En soluciones no ideales,${\displaystyle \Delta _{\mathrm {mix} }H}$puede ser diferente de cero, y el proceso es lo suficientemente endotérmico como 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 el aumento de los sitios de interacción${\displaystyle N}$y, por lo tanto, al disminuir la contribución entrópica, la coacervación simple es mucho más probable.

${\displaystyle \Delta _{\operatorname {mix} }G={\frac {\phi }{N}}\ln \phi +(1-\phi )\ln(1-\phi )+\Delta _{\operatorname {mix} }H}$

${\displaystyle \Delta _{\operatorname {mix} }G=k_{B}T\left[{\frac {\phi }{N}}\ln \phi +(1-\phi )\ln(1-\phi )\right]+\Delta _{\operatorname {mix} }H}$

${\displaystyle \Delta _{\operatorname {mix} }H=\chi \phi (1-\phi )}$

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 binodes son las composiciones en las que la energía libre de desmezcla es mínima (${\displaystyle {\frac {\partial \Delta _{\operatorname {mix} }G}{\partial x}}=0}$

), a través de diferentes temperaturas (u otro parámetro de interacción). Alternativamente, minimizando el cambio en la energía libre de desmezcla con respecto a la composición (${\displaystyle {\frac {\partial ^{2}\Delta _{\operatorname {mix} }G}{\partial x^{2}}}=0}$), 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 gotas de coacervado (cuando se cruza lentamente la región binodal) y descomposición espinodal . ^{[ 10 ] [ 11 ]}

La LLPS asociativa es más compleja de describir, ya que ambos polímeros solutos 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 para electrolitos simples al término entálpico en el modelo de Flory-Huggins, y considera dos polielectrolitos de la misma longitud y a la misma concentración. ^{[ 12 ] [ 13 ]} Kudlay y Olvera de la Cruz, incluyeron la conectividad de la cadena y un volumen excluido efectivo en el modelo, y encontraron que la densidad del precipitado después de la disminución inicial puede aumentar con la adición de sal como resultado de la redistribución de la sal entre el precipitado y el sobrenadante, lo cual se debe a una interacción de interacciones electrostáticas y de hardcore. ^{[ 14 ]}  Los coacervados complejos son un subconjunto de sistemas acuosos de dos fases (ATPS), incluidos los sistemas separados segregativamente en los que ambas fases están enriquecidas en un tipo de polímero.

Los orgánulos sin membrana  (OLM), también conocidos como condensados ​​biomoleculares , ^{[ 15 ] [ 16 ]} son ​​una forma de compartimentalización celular . A diferencia de los orgánulos clásicos unidos a membrana, como las mitocondrias , los núcleos celulares o los lisosomas , los OLM no están separados de su entorno por una bicapa lipídica . Los OLM están compuestos principalmente de proteínas y ácidos nucleicos, unidos por débiles fuerzas intermoleculares.

Los MLO están presentes en el citoplasma como gránulos de estrés , cuerpos de procesamiento (cuerpos P) y en el núcleo, incluyendo el nucléolo y las manchas nucleares . Se ha demostrado que cumplen diversas funciones: pueden almacenar y proteger material celular durante condiciones de estrés, ^{[ 17 ]} participan en la expresión génica ^{[ 18 ] [ 19 ]} y están involucrados en el control de la transducción de señales . ^{[ 20 ] [ 21 ]}

Actualmente se cree que los MLO se forman mediante LLPS. Esta hipótesis se propuso inicialmente tras observar que los cuerpos de Cajal ^{[ 22 ]} y los gránulos P ^{[ 23 ]} presentan propiedades similares a las de un líquido, y posteriormente se confirmó al demostrar que los condensados ​​líquidos pueden reconstituirse a partir de proteínas y ARN purificados in vitro. ^{[ 21 ]} Sin embargo, sigue siendo discutible si los MLO deben considerarse líquidos. Aunque inicialmente tengan propiedades similares a las de un líquido, con el tiempo algunos maduran hasta convertirse en sólidos (con aspecto de gel o incluso cristalinos, dependiendo del grado de ordenamiento espacial dentro del condensado). ^{[ 15 ]}

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 bobinas aleatorias en solución. Las 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 más ordenadas 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 ^{[ 24 ]} ), pero en muchos casos la transformación de líquido a sólido da como resultado la formación de agregados patológicos. ^{[ 25 ]} Ejemplos de proteínas que se separan en fases líquido-líquido y son propensas a la agregación incluyen FUS , ^{[ 26 ]} TDP-43 ^{[ 27 ] [ 28 ]} y hnRNPA1 . ^{[ 29 ]} Los agregados de estas proteínas están asociados con enfermedades neurodegenerativas (por ejemplo, esclerosis lateral amiotrófica o demencia frontotemporal ). ^{[ 25 ]}

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 podían utilizarse a menudo para provocar la floculación de un coloide. El químico alemán F. W. Tiebackx informó en 1911 ^{[ 30 ]} que la floculación también podía inducirse en ciertas soluciones poliméricas mediante su mezcla. En particular, informó de la observación de opalescencia (una mezcla turbia) al mezclar volúmenes iguales de una solución acidificada de gelatina "lavada" al 0,5 % y una solución de goma arábiga al 2 %. Tiebackx no analizó con mayor detalle la naturaleza de los flóculos, pero es probable que se tratara de un ejemplo de coacervación compleja.

El químico neerlandés HG Bungenberg-de Jong informó en su tesis doctoral (Utrecht, 1921) sobre dos tipos de floculación en soluciones de agar: uno que conduce a un estado suspensivo y otro que conduce a un estado emulsionado. ^{[ 31 ]} Observó el estado emulsionado bajo el microscopio y describió pequeñas partículas que se fusionaban en partículas más grandes (Tesis, pág.  82), probablemente una descripción de gotas de coacervado coalescentes. Varios años más tarde, en 1929, Bungenberg-de Jong publicó un artículo fundamental con su director de tesis, HR Kruyt, titulado “Coacervación. Miscibilidad parcial en sistemas coloidales”. ^{[ 32 ]} En su artículo, dan muchos más ejemplos de sistemas coloidales que floculan en un estado emulsionoide, ya sea variando la temperatura, añadiendo sales, cosolventes o mezclando dos coloides poliméricos con carga opuesta, e ilustran sus observaciones con las primeras imágenes microscópicas de gotas de coacervado. Denominan a este fenómeno coacervación, derivado del prefijo co y la palabra latina acervus (montón), que se relaciona con las gotas líquidas densas. Coacervación se traduce así libremente como 'unirse en un montón'. Desde entonces, Bungenberg-de Jong y su grupo de investigación en Leiden publicaron una serie de artículos sobre coacervados, incluyendo resultados sobre autocoacervación, efectos de la sal, tensión interfacial, coacervados multifásicos y coacervados basados ​​en surfactantes.

Mientras tanto, el químico ruso Alexander Oparin publicó una obra pionera en la que expuso su teoría de la protocélula sobre el origen de la vida. ^{[ 33 ]} En su modelo inicial de protocélula, Oparin se inspiró en la descripción de Graham de los coloides de 1861 como sustancias que generalmente forman 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 fue 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 eran coacervados. ^{[ 34 ]}

Otros investigadores siguieron el ejemplo, y en las décadas de 1930 y 1940, Bungenberg-de Jong, Oparin, Koets, Bank, Langmuir y otros informaron sobre diversos ejemplos de coacervación. 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 de campo medio para describir la coacervación. ^{[ 12 ]} Estimaron la energía libre total de mezcla como una suma de términos de entropía de mezcla e interacciones electrostáticas de campo medio en una aproximación de Debye-Hückel . Veis y Aranyi sugirieron extender este modelo con una etapa de agregación electrostática en la que se forman agregados solubles simétricos con cargas apareadas, seguidos de una separación de fases en gotas líquidas. ^{[ 35 ]}

En las décadas siguientes, hasta aproximadamente el año 2000, el interés científico por los coacervados disminuyó. La teoría de Oparin sobre el papel de los coacervados en el origen de la vida fue reemplazada por el interés en la hipótesis del mundo de ARN. El renovado interés por los coacervados surgió cuando los científicos reconocieron la relevancia y la 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 relacionado con orgánulos sin membrana y ha resurgido el interés por 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 en los océanos de la Tierra primitiva podrían ser, en esencia, gotas de coacervado. 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 amoníaco, dióxido de carbono y agua, en presencia de luz ultravioleta como fuente de energía. ^{[ 36 ]} Oparin propuso que bloques de construcción simples con complejidad creciente podrían organizarse localmente, o autoensamblarse, para formar protocélulas con propiedades de vida. ^{[ 37 ]} Realizó experimentos basados ​​en los agregados coloidales (coacervados) de Bungenberg de Jong para encapsular proteinoides y enzimas dentro de las protocélulas. El trabajo de los químicos Sidney Fox, Kaoru Harada, Stanley Miller y Harold Urey reforzó aún más la teoría de que los bloques de construcción inorgánicos podrían aumentar en complejidad y dar lugar a estructuras similares a células. ^{[ 38 ]}

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 cobrado mayor relevancia desde la década de 1980 con el trabajo de Morowitz, Luisi y Szostak. Sin embargo, recientemente ha surgido un creciente interés en los coacervados como protocélulas, en consonancia con los hallazgos actuales que indican que las reacciones demasiado lentas o improbables en soluciones acuosas pueden verse significativamente favorecidas en dichos compartimentos sin membrana. ^{[ 39 ] [ 40 ]}

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