¿Qué son los coacervados? Teoría, características y formación

¿Qué son los coacervados?

Los coacervados se definen como gotas o agrupaciones coloidales formadas por macromoléculas como proteínas, ácidos nucleicos, polímeros sintéticos, etc., que se forman espontáneamente y que se mantienen unidas entre sí gracias a diferentes tipos de interacciones químicas.

La palabra coloidal hace referencia a una de las características más llamativas de estas estructuras, pues se trata de gotaslíquidas que contienen dos fases inmiscibles, es decir, que no se mezclan entre sí, bien sea debido a repulsión de cargas o a efectos hidrofóbicos relacionados con las macromoléculas que las conforman.

En estas gotas ocurre una separación de fases líquido-líquido, donde una región más compacta -rica en macromoléculas- está en un equilibrio termodinámico con una fase diluida o líquida, con la que no se mezcla.

Los coacervados suelen formarse espontáneamente en soluciones o mezclas acuosas, permitiendo una suerte de compartimentación estable sin la presencia de una membrana, como sí ocurre con las células vivas.

En consecuencia, estas estructuras ocurren comúnmente en la naturaleza y son muy importantes para diferentes procesos biológicos en gran cantidad de organismos.

Sin embargo, el estudio de los coacervados no se limita únicamente a nuestros tiempos modernos. A comienzos de la década de 1920, el bioquímico ruso Alexander Oparin propuso que estas agrupaciones de moléculas pudieron haber dado origen a las primeras células en la tierra primitiva.

Teoría de los coacervados

Distintas teorías han sido propuestas a lo largo de la historia de la humanidad para explicar el origen de los seres vivos como los conocemos hoy.

Luego de la desestimación de las teorías sobre el origen de la vida por generación espontánea, muchos se inclinaron hacia la idea del origen fisicoquímico de los seres vivos.

Esta teoría fue postulada a principios del siglo XX por el bioquímico ruso Alexander Oparin (en su libro titulado El origen de la vida) y por el genetista británico John Burdon Haldane, cuyos trabajos, aunque independientes, compartían ideas muy similares.

El argumento principal de la teoría estaba fundamentado en que la vida pudo haber surgido por primera vez en la Tierra en el interior de las estructuras que hoy llamamos coacervados, formados por una inmensa variedad de moléculas orgánicas.

Basado es sus observaciones de que los coacervados podían formarse incluso en soluciones muy diluidas de distintas moléculas, Oparin y Haldane propusieron que la coacervación (formación de coacervados) podría haber sido la forma en la que ocurrió la separación de la fase fluida en el “caldo” primigenio de la Tierra abiótica.

En otras palabras, estos científicos pensaron que las primeras células pudieron haberse formado a partir de la agrupación espontánea de moléculas orgánicas contenidas en las aguas de los mares, entre ellas proteínas con actividad enzimática, que pudieron complejizarse y establecer estructuras más ordenadas y autónomas.

¿Caldo primigenio?: Síntesis abiótica

Aunque los coacervados tenían un papel fundamental en la teoría del origen de la vida de Oparin y de Haldane, esta solo tenía sentido a la luz de la concepción de que previamente habría tenido que ocurrir un largo período de síntesis abiótica.

Esta síntesis se refería a la producción y acumulación de los compuestos orgánicos precursores de las proteínas y los ácidos nucleicos, por ejemplo, gracias a:

• La acción de la energía proveniente de la radiación ultravioleta y de las tormentas eléctricas.
• Al aporte de material de volcanes y cuerpos espaciales.
• Al ambiente acuoso de los mares primitivos.
• Las condiciones atmosféricas de la Tierra inicial.

Experimentos de Miller y Urey

Algunos años después de que Oparin y Haldane presentaran sus teorías ante la comunidad científica, los bioquímicos americanos Stanley Miller y Harold Urey, en la década de los 50, diseñaron una serie de experimentos para intentar recrear las condiciones primitivas de la Tierra y apoyar o desmentir la teoría de los coacervados.

En sus experimentos, Stanley y Urey consiguieron obtener moléculas orgánicas simples, como aminoácidos, apoyando la idea de que la vida pudo haber surgido a partir de precursores orgánicos relativamente simples y con las condiciones hipotetizadas para la Tierra abiótica.

Características de los coacervados

• Son agrupaciones de macromoléculas orgánicas, generalmente proteínas o ácidos nucleicos.
• Son coloides, pues presentan dos fases inmiscibles, que no se mezclan entre sí, y que se encuentran en suspensión, aisladas del resto del líquido que los rodea.
• Se forman espontáneamente a partir de moléculas en suspensión que se asocian, y son muy comunes en distintos contextos celulares y ambientales.
• Son estructuras organizadas, en las que existe un equilibrio entre el cúmulo denso de moléculas que las forman y su porción acuosa.
• Pueden ser simples, formados por un solo tipo de molécula, o complejos, formados por más de una clase de molécula.
• Son capaces de mantener su estructura por sí mismos e, incluso, aumentar su complejidad mediante la introducción de nuevas moléculas del entorno.
• En su interior pueden ocurrir distintas reacciones químicas, variando su composición, peso y volumen en muy corto plazo.
• Comparten ciertas propiedades de las células vivas, pero no se consideran entes vivientes, pues no son capaces de reproducirse o alimentarse.

Formación de los coacervados (coacervación)

La formación de los coacervados también se conoce como coacervación y es el proceso que generalmente tiene su origen a partir de una separación de fases líquido-líquido, la cual consiste en la separación reversible de un líquido homogéneo en dos fases, una más concentrada que la otra.

La coacervación depende de distintas condiciones fisicoquímicas como la temperatura, el pH, la concentración de sales, la concentración de macromoléculas, etc. Además, este proceso depende del tipo de coacervado que se forma, bien sea simple o complejo.

Como mencionamos anteriormente, los coacervados simples están formados por un solo tipo de molécula orgánica y los complejos están formados por dos o más moléculas diferentes.

Durante la formación de los coacervados simples ocurren una serie de interacciones químicas que dependen de las características de la macromolécula en cuestión. Por ejemplo, si se trata de moléculas de una misma proteína la formación de coacervados tiene que ver con el autoensamblaje de estas moléculas a través de interacciones electrostáticas, de van der Waals o hidrofóbicas.

En cambio, la formación de coacervados complejos depende principalmente de interacciones electrostáticas, pues se ha demostrado que la neutralización electrostática favorece la coalescencia de macromoléculas en una solución en equilibrio.

Funciones y aplicaciones de los coacervados

Por ejemplo, en algunos moluscos y poliquetos marinos la formación de coacervados extracelulares es fundamental para muchas de sus funciones primarias.

Además, estos se han asociado con la agregación intracelular de proteínas, con el tráfico por el complejo del poro nuclear y con algunas enfermedades neurodegenerativas en el ser humano.

Los coacervados también son explotados en la industria alimenticia, en los campos de investigación de biofísica, biomateriales y biología celular, principalmente debido a su impresionante diversidad, composición y ordenamiento o topología.

Referencias

1. Astoricchio, E., Alfano, C., Rajendran, L., Temussi, P. A., & Pastore, A. (2020). The Wide World of Coacervates: From the Sea to Neurodegeneration. Trends in biochemical sciences.
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