https://biolabmix.ru/catalog/rna-transcription-mrna/?erid=LdtCKWnpq
Подписаться
Оглавление
Биомолекула

Что было раньше — курица или первичный бульон? Коацерваты

Что было раньше — курица или первичный бульон? Коацерваты

  • 411
  • 0,2
  • 0
  • 1
Добавить в избранное print
Обзор

Коацерваты.

Рисунок в полном размере.

Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: Все организмы на Земле состоят из клеток, и люди достаточно много знают о них: все они окружены липидной мембраной, делятся, сильно различаются между организмами. Тем более удивительно, что до сих пор существуют проблемы с теорией того, как клетка возникла. Скорее всего, появление длинных нуклеиновых кислот предшествовало появлению первых клеток. Этот этап развития часто называют РНК-миром. Про то, как развивались нуклеиновые кислоты и чего они достигли, можно почитать — и даже посмотреть смешные комиксы. Но остается вопрос, чем-то похожий на то, как человек произошел от обезьяны: как из нуклеиновых кислот произошли клетки, и какие при этом были промежуточные стадии, и что нам это может рассказать про биологию клетки сейчас?

Конкурс «Био/Мол/Текст»-2023/2024

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

BIOCAD

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.


«Альпина нон-фикшн»

«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].

Современная клеточная биология предполагает, что подобные механизмы могут быть возможны даже в обычных клетках

Рисунок 1А. Современная клеточная биология предполагает, что подобные механизмы могут быть возможны даже в обычных клетках. На иллюстрации представлено разделение фаз в клетке (не только коацерватов) в результате белковых взаимодействий.

[3], [4]

Возможность разделения фаз жидкость—жидкость зависит от условий среды

Рисунок 1Б. Возможность разделения фаз жидкость—жидкость зависит от условий среды. Для данных условий среды существует критическая концентрация, при которой возможно разделение фаз.

[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 могут содержать разные вещества

Рисунок 2. Коацерваты могут содержать разные вещества. В этом эксперименте использовались коацерваты, наполненные «цитозолем», содержащим различные белки — маркированные GFP и AlexaFluor. Масштаб: 10 μm

[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.

Коацерваты в начале эксперимента и спустя 160 минут выпаривания

Рисунок 3. Коацерваты в начале эксперимента и спустя 160 минут выпаривания. Видно, что размер коацерватов увеличился.

[8]

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].

Слияние коацерватов

Рисунок 4. Слияние коацерватов. Ученые из Мюнхенского университета исследовали, как с помощью топлива (особых растворов) можно регулировать появление коацерватов и их активность.

[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].

Коацерваты, различающиеся по составу фаз, могут сливаться и формировать более сложные структуры из нескольких мембран

Рисунок 5А. Коацерваты, различающиеся по составу фаз, могут сливаться и формировать более сложные структуры из нескольких мембран.

Исследователи из университета Гонконга показали, что в процессе высыхания коацерваты также могут образовывать компартменты

Рисунок 5Б. Исследователи из университета Гонконга показали, что в процессе высыхания коацерваты также могут образовывать компартменты.

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.

Коацерваты, различающиеся по составу фаз, могут сливаться и формировать более сложные структуры из нескольких мембран

Рисунок 6А. Схема переноса, накопления, роста и разделения коацервата на границе раздела газ—вода, обусловленная конвективными потоками, конденсацией воды и последующим осаждением воды и конвекцией

Коацерваты, различающиеся по составу фаз, могут сливаться и формировать более сложные структуры из нескольких мембран

Рисунок 6Б. Схема переноса, накопления, роста и разделения коацервата на границе раздела газ—вода, обусловленная конвективными потоками, конденсацией воды и последующим осаждением воды и конвекцией.

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.

Разные пути формирования мембран

Рисунок 7. Разные пути формирования мембран. Во всех случаях начало берется от коацерватов.

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.

Комментарии