Coacervates adalah kelompok molekul atau “kawanan” yang terbentuk secara spontan dalam larutan berair.
Apa itu coacervate?
coacervates didefinisikan sebagai tetesan koloid atau kelompok yang dibentuk oleh makromolekul seperti protein, asam nukleat, polimer sintetik, dll, bahwa bentuk spontan dan tetap bergabung bersama oleh berbagai jenis interaksi kimia.
Kata koloid mengacu pada salah satu karakteristik yang paling mencolok dari struktur ini, karena mereka adalah tetesan cair yang mengandung dua fase yang tidak dapat bercampur, yaitu, mereka tidak bercampur satu sama lain, baik karena tolakan muatan atau efek hidrofobik yang terkait dengan makromolekul yang membuat mereka.
Dalam tetes ini, pemisahan fase cair-cair terjadi, di mana daerah yang lebih kompak – kaya makromolekul – berada dalam kesetimbangan termodinamika dengan fase encer atau cair, yang tidak bercampur.
Coacervates cenderung terbentuk secara spontan dalam larutan atau campuran berair, memungkinkan semacam kompartemenisasi yang stabil tanpa adanya membran, seperti halnya dengan sel hidup.
Akibatnya, struktur ini terjadi secara umum di alam dan sangat penting untuk proses biologis yang berbeda dalam sejumlah besar organisme.
Namun, studi tentang coacervates tidak terbatas hanya pada zaman cararn kita. Pada awal 1920-an, ahli biokimia Rusia Alexander Oparin mengusulkan bahwa pengelompokan molekul ini mungkin telah memunculkan sel-sel pertama di bumi awal.
Teori coacervate
Berbagai teori telah diajukan sepanjang sejarah umat manusia untuk menjelaskan asal usul makhluk hidup seperti yang kita kenal sekarang.
Setelah penolakan teori tentang asal usul kehidupan oleh generasi spontan , banyak yang condong ke gagasan asal usul fisikokimia makhluk hidup.
Teori ini didalilkan pada awal abad ke-20 oleh ahli biokimia Rusia Alexander Oparin (dalam bukunya yang berjudul Origin of Life ) dan oleh ahli genetika Inggris John Burdon Haldane, yang karya-karyanya, meskipun independen, memiliki gagasan yang sangat mirip.
Alexander Oparin di laboratoriumnya (kanan)
Argumen utama teori ini didasarkan pada fakta bahwa kehidupan dapat muncul untuk pertama kalinya di Bumi di dalam struktur yang sekarang kita sebut coacervate , yang dibentuk oleh berbagai macam molekul organik.
Berdasarkan pengamatan mereka bahwa koaservasi dapat terbentuk bahkan dalam larutan yang sangat encer dari molekul yang berbeda, Oparin dan Haldane mengusulkan bahwa koaservasi (pembentukan koaservat) bisa menjadi cara pemisahan fase cairan terjadi di “kaldu” Primal dari abiotik Bumi.
Dengan kata lain, para ilmuwan ini berpikir bahwa sel-sel pertama dapat terbentuk dari pengelompokan spontan molekul organik yang terkandung di perairan laut, di antaranya protein dengan aktivitas enzimatik, yang dapat menjadi lebih kompleks dan membentuk struktur yang lebih teratur dan otonom.
Kaldu Primal?: Sintesis Abiotik
Meskipun coacervate memainkan peran penting dalam teori Oparin dan Haldane tentang asal usul kehidupan, itu hanya masuk akal mengingat pandangan bahwa periode panjang sintesis abiotik sebelumnya harus terjadi .
Sintesis ini mengacu pada produksi dan akumulasi senyawa organik prekursor protein dan asam nukleat, misalnya, berkat:
- Aksi energi dari radiasi ultraviolet dan badai listrik.
- Kontribusi material dari gunung berapi dan badan antariksa.
- Ke lingkungan berair laut primitif.
- Kondisi atmosfer Bumi awal.
Percobaan Miller dan Urey
Stanley Miller dan Harold Urey merancang eksperimen yang memungkinkan mereka untuk “menciptakan kembali” kondisi atmosfer dan fisikokimia laut di Bumi awal, sehingga berhasil, setelah seminggu reaksi, untuk menghasilkan molekul organik seperti asam amino dari senyawa kimia lainnya.
Beberapa tahun setelah Oparin dan Haldane mempresentasikan teori mereka kepada komunitas ilmiah, ahli biokimia Amerika Stanley Miller dan Harold Urey, pada 1950-an, merancang serangkaian eksperimen untuk mencoba menciptakan kembali kondisi primitif Bumi dan untuk mendukung atau menyangkal teori coacervate.
Dalam eksperimen mereka, Stanley dan Urey berhasil memperoleh molekul organik sederhana, seperti asam amino, mendukung gagasan bahwa kehidupan mungkin muncul dari prekursor organik yang relatif sederhana dan di bawah kondisi yang dihipotesiskan untuk Bumi abiotik.
Karakteristik coacervate
- Mereka adalah pengelompokan makromolekul organik, umumnya protein atau asam nukleat.
- Mereka adalah koloid, karena mereka menyajikan dua fase yang tidak dapat bercampur, yang tidak bercampur satu sama lain, dan yang berada dalam suspensi, diisolasi dari sisa cairan yang mengelilinginya.
- Mereka terbentuk secara spontan dari molekul dalam suspensi yang berasosiasi, dan sangat umum dalam konteks seluler dan lingkungan yang berbeda.
- Mereka adalah struktur terorganisir, di mana ada keseimbangan antara kelompok padat molekul yang membentuknya dan bagian berairnya.
- Mereka bisa sederhana, terdiri dari satu jenis molekul, atau kompleks, terdiri dari lebih dari satu jenis molekul.
- Mereka mampu mempertahankan strukturnya sendiri dan bahkan meningkatkan kompleksitasnya dengan memasukkan molekul baru dari lingkungan.
- Di bagian dalamnya, berbagai reaksi kimia dapat terjadi, dengan memvariasikan komposisi, berat, dan volumenya dalam waktu yang sangat singkat.
- Mereka berbagi sifat tertentu dari sel hidup, tetapi mereka tidak dianggap sebagai makhluk hidup, karena mereka tidak mampu bereproduksi atau makan.
Pembentukan coacervates (coacervation)
Pembentukan koaservat juga dikenal sebagai koaservasi dan merupakan proses yang umumnya berasal dari pemisahan fase cair-cair, yang terdiri dari pemisahan reversibel dari cairan homogen menjadi dua fase, yang satu lebih pekat daripada yang lain.
Koaservasi tergantung pada kondisi fisikokimia yang berbeda seperti suhu, pH, konsentrasi garam, konsentrasi makromolekul, dll. Selanjutnya, proses ini tergantung pada jenis koaservat yang terbentuk, baik yang sederhana maupun yang kompleks.
Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, koaservat sederhana terdiri dari satu jenis molekul organik dan kompleks terdiri dari dua atau lebih molekul yang berbeda.
Selama pembentukan koaservat sederhana, serangkaian interaksi kimia terjadi yang bergantung pada karakteristik makromolekul yang bersangkutan. Misalnya, jika mereka adalah molekul dari protein yang sama, pembentukan koaservat berkaitan dengan perakitan sendiri molekul-molekul ini melalui interaksi elektrostatik, van der Waals atau hidrofobik.
Di sisi lain, pembentukan koaservat kompleks terutama bergantung pada interaksi elektrostatik, karena telah ditunjukkan bahwa netralisasi elektrostatik mendukung penggabungan makromolekul dalam larutan kesetimbangan.
Fungsi dan aplikasi coacervate
Misalnya, pada beberapa moluska laut dan polikaeta, pembentukan koaservat ekstraseluler sangat penting untuk banyak fungsi utama mereka.
Lebih lanjut, ini telah dikaitkan dengan agregasi protein intraseluler, dengan perdagangan melalui kompleks pori nuklir, dan dengan beberapa penyakit neurodegeneratif pada manusia.
Coacervate juga dieksploitasi dalam industri makanan, di bidang penelitian biofisika, biomaterial dan biologi sel, terutama karena keragaman, komposisi dan susunan atau topologinya yang mengesankan.
Referensi
- Astoricchio, E., Alfano, C., Rajendran, L., Temussi, PA, & Pastore, A. (2020). Dunia Coacervates yang Luas: Dari Laut hingga Neurodegenerasi. Tren dalam ilmu biokimia.
- Clark, BC, & Kolb, VM (2020). Macrobiont: Tempat Lahirnya Asal Usul Kehidupan dan Penciptaan Biosfer. Hidup, 10 (11), 278.
- Lazcano A. (2010). Sejarah perkembangan penelitian asal-usul. Perspektif Cold Spring Harbor dalam biologi, 2 (11), a002089. https://doi.org/10.1101/cshperspect.a002089
- Novak, VJ (1974). Teori coacervate-in-coacervate tentang asal usul kehidupan. Dalam Asal Usul Kehidupan dan Biokimia Evolusioner (hlm. 355-368). Springer, Boston, MA.
- Solomon, EP, Berg, LR, & Martin, DW (2011). Biologi (edisi ke-9). Brooks / Cole, Cengage Belajar: Amerika Serikat.
