코아세르베이트

Coacervate(/koəsːrvtt/ 또는 /koʊsrrvett/)는 합성 고분자, 단백질 또는 핵산과 같은 고분자가 풍부한 수상이다.액체-액상분리(LLPS)를 통해 형성되며, 희상을 수반하는 열역학 평형에서 조밀한 상으로 이어진다.분산된 고밀도 상태의 물방울은 코아세르베이트, 마이크로코아세르베이트 또는 코아세르베이트 물방울이라고도 합니다.이러한 구조는 수성 혼합물에서 자연적으로 형성되고 막 없이도 안정적인 구획화를 제공하기 때문에 많은 관심을 끈다.

코아세르베이트라는 용어는 1929년 네덜란드의 화학자 헨드릭 G. 번겐버그와 휴고 R에 의해 만들어졌다.Kruyt는 친유성 콜로이드 ^[1]분산을 연구하는 동안그 이름은 마치 떼지어 있는 벌처럼 콜로이드 입자의 군집을 지칭한다.그 개념은 나중에 러시아 생물학자 알렉산더 1세에 의해 차용되었다. 오파린은 초기 ^[2]지구의 원시 세포(단백질 세포)로 제안된 단백질 미세구를 묘사하기 위한 것이다.코아세르베이트와 비슷한 프로토셀은 오파린 홀데인 가설의 핵심이다.

2004년 캘리포니아 대학 산타 바바라(UCSB) 과학자들이 일부 해양 무척추동물(모래성 벌레 등)이 물에 강한 생물학적 접착제를 ^[3][4]생산하기 위해 복잡한 공조를 이용한다는 사실을 인정한 이후 2000년대에 공서베이트 연구가 재개되었다.몇 년 후인 2009년 생물물리학자인 클리포드 브랑윈과 토니 ^[5]하이먼에 의해 액상분리의 역할이 특정 막이 없는 유기체의 형성에 관여하는 것으로 더욱 인정되었다.액체 오르가넬은 코아세르베이트 물방울과 특징을 공유하고 ^[6][7]생체모방을 위한 코아세르베이트 연구에 박차를 가했습니다.

열역학

코아세르베이트는 친유성 콜로이드의 한 종류입니다. 즉, 고밀도 상은 원래의 용매의 일부(일반적으로 물)를 유지하며 고체 응집체로 붕괴되지 않고 오히려 액체 특성을 유지합니다.Coacervate는 LLPS의 추진력(관련성 또는 분리성)에 따라 복잡하거나 단순하다고 특징지을 수 있습니다.연관성 LLPS는 고분자 간의 매력적인 상호작용(대전하 고분자 간의 정전력 등)에 의해 지배되며, 분리성 LLPS는 반발 상호작용(무질서 영역을 포함하는 단백질에 대한 소수성 효과 등)의 최소화에 의해 구동된다.

분리형 LLPS의 열역학은 Flory-Huggins 폴리머 혼합 모델로 설명할 수 있습니다(방정식 ^[8][9]참조).이상적인 폴리머 용액에서 혼합 엔트로피( (S_mix, Flory-Huggins 접근법에서의 조합)는 음이고 상호작용 엔탈피는 모두 등가(δH_mix 또는 χ = 0)로 간주되기 때문에 혼합 자유 에너지( ofG_mix)는 음이다.비이상적인 솔루션에서는 δH가_mix 0과 다를 수 있으며, 엔트로픽 항을 극복하고 혼합 해제 상태를 선호하기에 충분한 프로세스 흡열성이 있습니다(파란색 곡선이 위로 이동).저분자량의 용질은 그러한 비이상성에 도달하기 어려운 반면, 상호작용 부위 N이 증가하고 따라서 엔트로피 기여가 감소하는 고분자 용질의 경우, 단순 공생 가능성이 훨씬 더 높습니다.

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

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

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

혼합물의 위상도는 2상 경계, 즉 2항 곡선을 실험적으로 결정함으로써 예측할 수 있다.단순 이론적인 접근법에서 바이노드는 디커버리의 자유 에너지가 최소인 조성물($δ$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ G${\displaystyle \frac{\mathrm{}\delta }{}}$x $=$ {\$displaystyle${\$operatorname {delta}$ }G$}{\partial$ x}=$0})$이다.

다른 온도(또는 기타 상호작용 파라미터)에 걸쳐 있습니다.$또는$ 조성( regards ${\displaystyle \frac{{\mathrm{2\Omega }}_{}}{}}$ G ${\displaystyle \frac{\mathrm{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{x\mathrm{}}^{}}{}}$ 2 ${\displaystyle \frac{{}^{}}{}}$ ${\displaystyle {\operatorname {display} }G}$ {\$partial$ x$^{2$}} $=0})$에 대한 디디플레이어의 자유에너지 변화를 최소화함으로써 스피노달 곡선을 정의한다.두 곡선과 비교한 혼합물의 조건은 상분리 메커니즘을 정의한다. 즉, (바이노달 영역이 천천히 교차할 때) 코아세르베이트 물방울의 핵-성장 및 스피노달 ^[10][11]분해이다.

결합 LLPS는 두 가지 용질 중합체 모두 희석 및 밀도 단계에 존재하기 때문에 설명하기가 더 복잡하다.정전기계 복합체 코아세르베이트가 가장 일반적이며, 이 경우 용질은 서로 반대되는 전하를 가진 두 개의 고분자 전해체이다.Voorn-Overbeek 접근방식은 Flory-Huggins 모델의 엔탈픽 항에 Debye-Hückel 근사치를 적용하고 동일한 길이와 ^[12][13]농도의 두 고분자 전해질을 고려한다.복합 코아세르베이트는 목초 2상 시스템(ATPS)의 서브셋으로, 두 상 모두 한 유형의 폴리머로 농축되는 분리 분리형 시스템도 포함합니다.

생물학의 코서베이트

생체분자 ^[14][15]응축물로도 알려진 무막 오르가넬(MLO)은 세포 구획화의 한 형태이다.전형적인 막 결합 유기체(예: 미토콘드리아, 핵 또는 리소좀)와 달리, MLO는 지질 이중층에 의해 주변으로부터 분리되지 않는다.MLO는 대부분 단백질과 핵산으로 구성되며, 약한 분자간 힘에 의해 결합됩니다.

MLO는 세포질(예: 응력 과립, 가공체)과 핵(예: 핵반점, 핵반점)에 존재한다.그들은 다양한 기능을 하는 것으로 나타났다: 그들은 스트레스 ^[16]조건 동안 세포 물질을 저장하고 보호할 수 있고, 유전자 발현에^[17][18] 참여하며 신호 ^[19][20]전달의 제어에 관여한다.

현재 MLO는 LLPS를 통해 형성된다고 널리 알려져 있습니다.이는 Cajal체와^[21] P과립이^[22] 액체 상태의 성질을 보이는 것을 관찰한 후 처음 제안되었으며, 이후 정제 단백질과 RNA에서 액체 응축물이 ^[20]체외로 재구성될 수 있음을 보여줌으로써 확인되었다.그러나 MLO를 액체라고 불러야 하는지 여부는 여전히 논란의 여지가 있다.처음에는 액상과 같더라도 시간이 지남에 따라 고체(응축수 ^[14]내의 공간적 질서의 정도에 따라 겔상 또는 결정상)로 성숙하는 것도 있습니다.

MLO 형성에 참여하는 많은 단백질은 여러 개의 2차 구조를 채택하고 용액에서 랜덤 코일을 형성할 수 있는 폴리펩타이드 사슬의 일부인 소위 선천적으로 무질서한 영역(IDR)을 포함한다.IDR은 LLPS를 담당하는 상호작용을 제공할 수 있지만 시간이 지남에 따라 (변이 또는 번역 후 수정에 의해 촉진되는) 구조 변화가 고차 구조의 형성과 MLO의 ^[10]고화를 초래할 수 있습니다.일부 MLO는 고체 입자(예: β-시트^[23] 구조로 안정화 된 발비아니 체질)로서의 생물학적 역할을 하지만, 많은 경우 액체에서 고체로 전환되면 병리학적 ^[24]집합체가 형성된다.액상분리 및 응집되기 쉬운 단백질의 예로는 FUS,^[25] TDP-43^[26][27] 및 hnRNPA1이 ^[28]있다.이러한 단백질의 집합체는 신경변성 질환(예: 근위축성 측삭경화증 또는 전두엽성 치매)^[24]과 관련이 있다.

역사

20세기 초에 과학자들은 콜로이드의 안정성, 고체 입자의 분산 및 고분자 분자의 용액에 관심을 갖게 되었다.염분과 온도는 콜로이드의 응집을 일으키는 데 종종 사용될 수 있다고 알려져 있었다.독일 화학자 F.W.타이백스는 1911년 특정 폴리머 용액에서 응집작용을 일으킬 수 있다고 보고했다.특히, 그는 산성화된 0.5% "세척된" 젤라틴 용액과 2%의 껌 아라비아 용액이 혼합되었을 때 오팔레센스(혼탁 혼합물)가 관찰되었다고 보고했다.Tiebackx는 flocks의 성질을 더 이상 분석하지 않았지만, 이것은 복잡한 공동화의 한 예였을 가능성이 높다.

네덜란드의 화학자 H. G. 번겐버그-데 융은 박사 논문 (Utrecht, 1921년)에서 한천 용액에 응집되는 두 가지 유형을 보고했다. 하나는 현탁액 상태로 이끄는 것이고 다른 하나는 유화액 ^[30]상태로 이끄는 것이다.그는 현미경으로 유화 상태를 관찰하고 작은 입자들이 더 큰 입자로 합쳐지는 것을 설명했습니다(합성, 페이지 82). 아마도 코아세르베이트 물방울의 결합에 대한 설명일 것입니다.몇 년 후인 1929년, 번겐버그 데 융은 그의 박사 고문인 H. R. 크루이트와 함께 "보존"이라는 제목의 중요한 논문을 발표했다.콜로이드 시스템의 부분적 혼재성.^[31]그들은 논문에서 온도를 변화시키거나, 염분을 첨가하거나, 공동 용제를 첨가하거나, 반대 방향으로 대전된 두 개의 폴리머 콜로이드를 함께 혼합함으로써 응집되어 유화 상태로 응집되는 콜로이드 시스템의 더 많은 예를 제시하며, 그들의 관찰 결과를 최초의 코아세르베이트 물방울 현미경 사진으로 설명한다.그들은 이 현상을 co라는 접두사와 고밀도 액체 방울과 관련된 라틴어 acervus에서 유래한 공동 보존이라고 부른다.따라서 공동 보존은 대략적으로 'to come in hump'로 번역됩니다.그 이후 레이덴에 있는 번겐버그 데 융과 그의 연구팀은 자가보존, 염분효과, 계면장력, 다상코아세르베이트, 계면활성제 기반의 코아세르베이트에 대한 결과를 포함한 다양한 코아세르베이트에 관한 논문을 발표했다.

한편, 러시아의 화학자 알렉산더 오파린은 생명의 ^[32]기원에 대한 그의 프로토셀 이론을 제시한 선구적인 연구를 발표했다.그의 초기 프로토셀 모델에서, 오파린은 1861년부터 그레이엄이 콜로이드를 보통 흐린 용액을 주고 막을 통과할 수 없는 물질로 묘사한 것에서 영감을 얻었다.오파린은 이러한 특성들을 원형질들과 연관시켰고, 콜로이드의 침전물이 점액이나 젤리 덩어리나 덩어리로서 형성된다고 추론했는데, 그 중 일부는 원형질들과 비슷한 구조적 특징을 가지고 있다.오파린에 따르면, 프로토셀은 콜로이드의 침전에 의해 형성되었을 수 있다.그의 후기 연구에서, 오파린은 그의 프로토셀 모델에 대해 더 구체적이 되었다.그는 1938년부터 그의 책에서 코아세르베이트에 대한 번겐버그 데 융의 연구를 묘사했고 최초의 프로토셀이 ^[33]코아세르베이트였다고 가정했다.

다른 연구자들이 뒤를 따랐고 1930년대와 1940년대에 번겐버그-데-종, 오파린, 코에츠, 뱅크, 랑무아르 등의 다양한 공동 보존 사례가 보고되었다.1950년대와 1960년대에, 초점은 (복잡한) 공생 현상에 대한 이론적 설명으로 옮겨갔다.Voorn과 Overbeek은 공생 ^[12]현상을 설명하는 최초의 평균장 이론을 개발했다.그들은 혼합의 총 자유 에너지를 Debye-Hückel 근사에서 혼합 엔트로피 항과 평균장 정전 상호작용의 합으로 추정했다.Veis와 Aranyi는 전하 쌍으로 구성된 대칭 수용성 골재를 형성한 후 액체 ^[34]방울로 상 분리를 하는 정전 응집 단계를 통해 이 모델을 확장할 것을 제안했다.

그 후 약 2000년까지 수십 년 동안, 코아세르베이트에 대한 과학적 관심은 희미해졌다.생명의 기원에서 코아세베이트의 역할에 대한 오파린의 이론은 RNA 세계 가설에 대한 관심으로 대체되었다.코서베이트에 대한 새로운 관심은 과학자들이 생물학적 물질의 자연적 제작과 자체 조립에서 복잡한 코서베이션의 기초가 되는 상호작용의 관련성과 다양성을 인식하면서 시작되었다.

2009년 이후, 코아세르베이트는 막이 없는 세포와 연결되었고 프로토셀로서 코아세르베이트에 대한 새로운 관심이 있었다.

생명의 기원에 대한 Coacervates 가설

러시아 생화학자인 알렉산더 오파린과 영국 생물학자인 J.B.S. 홀데인은 1920년대에 독립적으로 초기 지구의 바다에 있는 최초의 세포들이 본질적으로 공생성 물방울일 수 있다는 가설을 세웠다.Haldane은 에너지원으로서 ^[35]자외선이 존재하는 상황에서 암모니아, 이산화탄소, 물과 같은 무기 구성 요소 사이의 반응의 결과로 축적될 수 있는 유기 분자의 희석된 혼합물을 지칭하기 위해 원시 수프라는 용어를 사용했다.오파린은 복잡성이 증가하는 단순한 구성 요소들이 국소적으로 구성되거나, 살아있는 ^[36]특성을 가진 프로토셀을 형성하기 위해 스스로 조립될 수 있다고 제안했다.그는 프로테노이드와 효소를 프로토셀 내에 캡슐화하기 위해 분겐버그 데 융의 콜로이드 응집체(코아세베이트)에 기초한 실험을 수행했다.화학자인 시드니 폭스, 하라다 카오루, 스탠리 밀러, 해롤드 유리의 추가 연구는 무기 구성 블록이 복잡성을 증가시키고 세포와 같은 ^[37]구조를 발생시킬 수 있다는 이론을 더욱 강화시켰다.

오파린-할데인 가설은 자연발생의 화학에 대한 연구의 토대를 마련했지만, 1980년대부터 Morowitz, Luisi, Szostak의 연구로 지질 세계와 RNA 세계 시나리오가 더 주목을 받았다.그러나 최근에는 코아세르베이트에 대한 관심이 높아지면서 수용액에서 반응이 너무 느리거나 가능성이 낮으면 이러한 막이 없는 ^[38][39]구획에서 상당히 선호될 수 있다는 현재의 발견에 공명하고 있다.

「 」를 참조해 주세요.

• 프로토셀
• 인공 세포

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