Конкурс «Био/Мол/Текст»-2023/2024

Эта работа опубликована в номинации «Школьная» конкурса «Био/Мол/Текст»-2023/2024.

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Одной из самых первых и до сих пор распространенных идей в этой области является предположение Александра Опарина, выдвинутое им в 1924 году [1] (тогда ученому было 30 лет, а прожил он аж до 1980 года). Если клетка — это сложный агрегат («белки агрегируются» значит, что они накапливаются и слипаются) белков и нуклеиновых кислот, то и образовываться они должны были — за счет агрегации в зонах, где их концентрация повышена. Пятью годами позже голландские ученые Хендрик Бангенберг и Хьюго Крюйт назвали такие зоны коацерватами [2].

Устройство коацерватов

Коацерваты (лат. coacervus — сгусток или куча) — это сгустки или области повышенной концентрации в растворах белков и нуклеиновых кислот. Коацерваты не имеют настоящих мембран (даже если у них есть сложный липидный бислой, он неупорядочен и не способен равномерно разделяться). Но из-за высоких концентраций внутри них протекают химические реакции, реагенты для которых поступают в коацерват из внешней среды (раствора, от которого он отделился водной оболочкой) [1].

Но почему вообще возникают зоны, в которых каких-то веществ становится больше? Ведь, казалось бы, из-за второго закона термодинамики, все вещества в растворе должны быть распределены равномерно. Значит, некоторые соединения должны «прилипать» друг к другу, образуя при этом отдельную фазу в растворе. И действительно, обособление коацерватных капель обусловлено физическим разделением фаз жидкость—жидкость. Это явление может напоминать разделение воды и масла, хотя отделение коацерватов происходит иначе: их состав похож на раствор, в котором они находятся, однако концентрации агрегированных белков с низкой аминокислотной сложностью, способных отделять капли, в них выше [3], [4].

Считается, что в белках существуют участки длиной 7–10 аминокислот, тепловая энергия которых не меньше общей энергии их взаимодействий с другими такими участками и растворителем, такие участки называются блобами (англ. blobs). При определенных концентрациях они больше взаимодействуют с блобами в других белках, а не в том же белке или в растворителе — это и объясняет разделение фаз.

Размер и состав капли определяют ее поверхностное натяжение, поэтому проницаемость водной оболочки коацерватов разная для разных веществ: маленькие молекулы проходят, а большие белковые комплексы — нет [5], [6].

Коацерваты и происхождение жизни

Российский биохимик Александр Опарин и английский биолог Джон Холдейн (один из основателей популяционной генетики) независимо друг от друга постулировали, что первыми живыми клетками, образовавшимися в океанах, могли быть коацерватные капли. Холдейн использовал термин «первичный бульон», чтобы описать разбавленную смесь, получающуюся в ходе реакций аммиака, углекислого газа и воды. В качестве источника энергии он рассматривал ультрафиолетовое излучение. При определенных условиях коацерватные капли отделялись от остального раствора оболочкой и существовали по принципу открытых систем, поглощая вещества из окружающей среды. Таким образом, многие предполагают, что коацерваты — это переходная стадия между РНК-миром и клеточными организмами.

В 2010-х годах ученые выяснили, что из-за гидрофобных и ван-дер-ваальсовых взаимодействий коацерваты сохраняют структуру и ускоряют химические реакции [7]. Ученые из университетов Пенсильвании и Чикаго исследовали осушение коацерватов в условиях колебания количества влаги в среде; они определили составы растворов, в которых упаривание в 10 раз приводит к сохранению, исчезновению или появлению коацерватных капель [8]. Интересно, что при упаривании в 10 раз концентрация РНК внутри коацерватов не изменялась (при этом концентрация РНК в растворе увеличивалась в 10 раз). Авторы объясняют результаты с помощью фазовых диаграмм.

Размер образующихся коацерватов достигает 1–10 микрометров и постоянно увеличивается, примерно до 20. Этот процесс вызывается переконденсацией, или созреванием Оствальда. Долгое время это являлось важным противоречием гипотезе коацерватов, однако в 2021 году были получены коацерваты, активно достраивающие собственный материал. Оказалось, что такие коацерваты не расширяются с течением времени, противодействуя энтропии. Это противодействие устроено так: у капли есть некоторый радиус кривизны, который создает давление Лапласа (собственно, это давление обусловлено поверхностным натяжением, а силы поверхностного натяжения обратно пропорциональны радиусу кривизны). Созревание Оствальда — это самопроизвольный термодинамический процесс: более крупные частицы получают энергетическое преимущество по сравнению с частицами меньшего размера (у маленькой капли каждая частица взаимодействует с бо́льшим количеством частиц растворителя). Созревание Оствальда в случае коацерватов обуславливается давлением Лапласа.

Считается, что на ранних этапах развития жизни на Земле условия не были стабильными, поэтому такое свойство коацерватов — сохранение состава в условиях изменения окружающей среды — укрепляет теорию коацерватов как предвестников жизни. Их сложно назвать полноценными представителями живого, потому что они не умеют полноценно питаться, расти и размножаться. Однако есть явления, заставляющие коацерваты писаться, расти и размножаться.

Коацерваты могут поглощать вещество из окружающей среды — таким образом они не сильно увеличивают свой объем, поскольку при поглощении вещества может нарушиться разделение фаз, которое обеспечивает существование коацервата. Или же они могут сливаться с другими коацерватами, что представляется более правдоподобным сценарием. Мне кажется, что это достаточно интересно — получается, что коацерваты могут образовываться самопроизвольно и увеличивать свой объем в основном за счет слияния, в противоположность клеткам живых организмов [9].

В клетках вещества формируют отдельные агломерации в зависимости от взаимной аффинности (взаимного подобия). Это приводит к формированию отдельных макромолекулярных структур, что, в свою очередь, может влиять на процессы их эволюции. В некоторых случаях объединение происходит вокруг молекул, связанных с мембраной. Было показано, что коацерваты, различающиеся по составу, могут сливаться или формировать включения — один в другой [10]. Это зависит от состава их мембраны и «цитоплазмы».

В мембранах могут заякориваться различные малые липофильные молекулы, белки и даже ДНК [11]. В результате объединения нескольких коацерватов внутри одного большого могут формироваться части, обособленные друг от друга мембранами и имеющие различный функционал. Это уже подозрительно похоже на органоиды клетки, хотя функционал таких компартментов нельзя сравнивать с функционалом органоидов [12].

Впрочем, у гипотезы происхождения жизни из коацерватов есть ряд проблем. В 1953 году Миллер и Юри провели эксперимент, в ходе которого в смеси H₂O, NH₃, CH₄, CO₂, CO под действием электрических зарядов образовывались аминокислоты. Ученые пришли к выводу, что в коацерватах тоже могли образовываться аминокислоты, однако сейчас распространено мнение о том, что на Земле не было таких условий, и аминокислоты не могли образовываться таким путем.

Еще одним недостатком теории коацерватов как первых клеток является отсутствие ясного пути самовоспроизведения — эволюция коацерватных протоклеток путем слияния, роста и деления еще не продемонстрирована. В одной работе ученые из Мюнхена показали, что неравновесные и изменяющиеся условия внутри среды приводят к делению коацерватных протоклеток. Они утверждают, что результаты работы предоставляют сценарий эволюции микрокапель коацерватов на ранней Земле. Деление обуславливается обычными пузырьками газа в порах нагретой породы [13]. Исследование, конечно, не позволяет нам предполагать, что коацерваты могли полноценно размножаться, однако демонстрирует интересный способ увеличения их численности. В чем значимое отличие размножения и этого способа увеличения численности? Основное отличие — размножение организмов происходит по определенным законам, а не хаотично: в этом исследовании коацерваты делились на части случайно — сколько раствора попадало в каплю, столько в ней и оставалось.

Получается, что коацерваты действительно могут разными способами питаться, расти и размножаться, как и живые организмы, но делать это они могут только под действием случайных процессов и изменений среды вокруг. Коацерваты не умеют управлять процессами внутри себя, как это делают клетки — это важное отличие.

В основном коацерваты в научных статьях встречаются в контексте возникновения жизни на Земле, однако есть еще несколько интересных направлений, связанных с ними.

Коацерваты как искусственные клетки

Есть успешные эксперименты по воссозданию ранней эволюции молекул, известны самокопирующиеся РНК, а эволюция клеток изучается огромным набором методов. При этом все попытки создания коацерватов по модели РНК-мира до сих пор являются тщетными (хотя и есть некоторый прогресс) [14–16].

Создание искусственной жизни в целом и искусственных клеток в частности — актуальный вопрос биологии. Создание синтетической жизни занимает действительно много ученых (да и простых людей) уже очень давно. Особенно эта проблема, как мне кажется, занимает математиков (предполагаю, из-за своей глобальности). В прошлом веке Эрвин Шредингер, Джон фон Нейман, Алан Тьюринг описывали математически свойства организмов, пытались найти что-то общее для всего живого.

За последние 20 лет конструирование искусственных клеток стало очень популярным занятием. Коацерваты являются альтернативой большинству синтезируемых клеток, поскольку у них нет мембран. Существует несколько применений коацерватов в роли синтетических клеток.

Первое применение — инкапсулирование (фиксация) различных веществ и даже мембранных органоидов. Слияние хлоропластов с искусственными мембранами позволяет исследовать их функции вне клеток in vitro [18]. В последнее время мембранные «коацерваты» — липосомы — очень активно используют в качестве систем доставки лекарств [19].

Исследование коацерватов стало одним из ключевых этапов в формировании новой парадигмы цитологии, предполагающей, что компартменты клетки формируются не только за счет мембран, а любых разделов фаз [9]. Их можно рассматривать как каркас вокруг «цитозоли», используемый для конструирования синтетических клеток [12]. Получающиеся синтетические клетки можно использовать в медицине и нанотехнологиях [20], [21].

Использование коацерватов активно изучается. Мембраны позволяют разграничивают внутренний и наружный компартмент. Удивительно, что в эволюции с некоторой вероятностью они возникли так же — как следствие компартментализации протокоацерватов.

Теперь, я думаю, ответ на главный вопрос статьи понятен любому читателю. Удивительно, но коацерваты оказываются и раньше, и позже курицы! :)

За помощь в написании статьи и ценные советы я хочу поблагодарить молекулярного биолога широкого профиля и админа паблика «какие-то биохимические мемы» Даниила Смутина.

Литература

1. Опарин А.И. Возникновение жизни на Земле. М.: «Академия наук СССР», 1941. — 268 с.;
2. Jong H.G., Kruyt H.R. (1929). Coacervation (partial miscibility in colloid systems). Proc K Ned Akad Wet. 32, 849–856;
3. Разделяй и властвуй: роль разделения фаз в жизни клетки;
4. Diana M. Mitrea, Richard W. Kriwacki. (2016). Phase separation in biology; functional organization of a higher order. Cell Commun Signal. 14;
5. Carsten Donau, Fabian Späth, Marilyne Sosson, Brigitte A. K. Kriebisch, Fabian Schnitter, et. al.. (2020). Active coacervate droplets as a model for membraneless organelles and protocells. Nat Commun. 11;
6. Wei Guo, Andrew B. Kinghorn, Yage Zhang, Qingchuan Li, Aditi Dey Poonam, et. al.. (2021). Non-associative phase separation in an evaporating droplet as a model for prebiotic compartmentalization. Nat Commun. 12;
7. N+1: Протоклетки сохранили химический состав при выпаривании;
8. Hadi M. Fares, Alexander E. Marras, Jeffrey M. Ting, Matthew V. Tirrell, Christine D. Keating. (2020). Impact of wet-dry cycling on the phase behavior and compartmentalization properties of complex coacervates. Nat Commun. 11;
9. Karina K. Nakashima, Mahesh A. Vibhute, Evan Spruijt. (2019). Biomolecular Chemistry in Liquid Phase Separated Compartments. Front. Mol. Biosci.. 6;
10. Tiemei Lu, Evan Spruijt. (2020). Multiphase Complex Coacervate Droplets. J. Am. Chem. Soc.. 142, 2905-2914;
11. Inge Bos, Eline Brink, Lucile Michels, Joris Sprakel. (2022). DNA dynamics in complex coacervate droplets and micelles. Soft Matter. 18, 2012-2027;
12. Zi Lin, Thomas Beneyton, Jean‐Christophe Baret, Nicolas Martin. (2023). Coacervate Droplets for Synthetic Cells. Small Methods. 7;
13. Alan Ianeselli, Damla Tetiker, Julian Stein, Alexandra Kühnlein, Christof B. Mast, et. al.. (2022). Non-equilibrium conditions inside rock pores drive fission, maintenance and selection of coacervate protocells. Nat. Chem.. 14, 32-39;
14. Gerald F. Joyce, Jack W. Szostak. (2018). Protocells and RNA Self-Replication. Cold Spring Harb Perspect Biol. 10, a034801;
15. РНК у истоков жизни?;
16. РНК: начало (мир РНК);
17. I. A. Chen, P. Walde. (2010). From Self-Assembled Vesicles to Protocells. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 2, a002170-a002170;
18. B. V. V. S. Pavan Kumar, James Fothergill, Joshua Bretherton, Liangfei Tian, Avinash J. Patil, et. al.. (2018). Chloroplast-containing coacervate micro-droplets as a step towards photosynthetically active membrane-free protocells. Chem. Commun.. 54, 3594-3597;
19. Theresa M. Allen, Pieter R. Cullis. (2013). Liposomal drug delivery systems: From concept to clinical applications. Advanced Drug Delivery Reviews. 65, 36-48;
20. Wakana Sato, Tomasz Zajkowski, Felix Moser, Katarzyna P. Adamala. (2022). Synthetic cells in biomedical applications. WIREs Nanomed Nanobiotechnol. 14;
21. Daniele Di Iorio, Seraphine V. Wegner. (2022). Towards applications of synthetic cells in nanotechnology. Current Opinion in Chemical Biology. 68, 102145.