Что было раньше — курица или первичный бульон? Коа...
Что было раньше — курица или первичный бульон? Коацерваты
03 апреля 2024, 07:51
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, можнопочитать — 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?
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]. Previous раскрыть в полном размере Next1/2 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] 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]. 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. 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]. 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]. Previous раскрыть в полном размере раскрыть в полном размере Next1/2 Рисунок 5А. Коацерваты, различающиеся по составу фаз, могут сливаться и формировать более сложные структуры из нескольких мембран. [10] 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. Previous раскрыть в полном размере раскрыть в полном размере Next1/2 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 [13] 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. Рисунок 7. Разные пути формирования мембран. Во всех случаях начало берется от коацерватов. [17] 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.
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]. 
раскрыть в полном размере 
Next1/2 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] 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]. 
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] 
Рисунок 3. Коацерваты в начале эксперимента и спустя 160 минут выпаривания. Видно, что размер коацерватов увеличился. [8] 
Рисунок 4. Слияние коацерватов. Ученые из Мюнхенского университета исследовали, как с помощью топлива (особых растворов) можно регулировать появление коацерватов и их активность. [9] 
раскрыть в полном размере 
раскрыть в полном размере Next1/2 Рисунок 5А. Коацерваты, различающиеся по составу фаз, могут сливаться и формировать более сложные структуры из нескольких мембран. [10] 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. Previous 
раскрыть в полном размере 
раскрыть в полном размере Next1/2 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 [13] 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. 
Рисунок 7. Разные пути формирования мембран. Во всех случаях начало берется от коацерватов. [17]