코아세르베이트

1. 개요

코아세르베이트는 친액성 콜로이드의 일종으로, 20세기 초 생명 기원 연구와 관련하여 주목받았다. 코아세르베이트는 액체-액체 상 분리 현상을 통해 형성되며, 외부 물질을 받아들이고 분열하는 등 원시 세포와 유사한 특성을 보인다. 러시아의 알렉산드르 오파린은 코아세르베이트가 최초의 원시 세포였을 것이라고 주장했으나, 현재는 막 없는 세포 소기관(MLO)의 형성과 연관되어 연구가 진행되고 있다.

2. 역사

20세기 초 과학자들은 콜로이드 안정성에 대한 연구를 진행했다. 독일 화학자 F.W. Tiebackx는 특정 고분자 용액 혼합으로 응집을 유도할 수 있음을 보고했다. 네덜란드 화학자 H. G. Bungenberg-de Jong은 한천 용액에서 두 가지 유형의 응집을 보고했고, 이후 코아세르베이션 현상을 정의했다. 러시아 화학자 알렉산더 오파린은 코아세르베이트를 원시 세포 모델로 제시하며 생명의 기원 연구에 기여했다. 1930년대와 1940년대에는 여러 과학자들이 다양한 코아세르베이션 예를 보고했다.

1950년대와 1960년대에는 (복합) 코아세르베이션 현상에 대한 이론적 설명에 초점이 맞춰졌다. Voorn과 Overbeek은 코아세르베이션을 설명하기 위한 최초의 평균장 이론을 개발했다. 그들은 Debye-Hückel 근사에서 혼합 엔트로피 항과 평균장 정전기적 상호 작용의 합으로 총 혼합 자유 에너지를 추정했다. Veis와 Aranyi는 이 모델을 전하 쌍을 이루는 대칭 용해성 응집체가 형성되고 액체 방울로의 상 분리가 뒤따르는 정전기적 응집 단계를 추가하도록 제안했다.

이후 수십 년 동안, 약 2000년까지 코아세르베이트에 대한 과학적 관심은 줄어들었다. 생명의 기원에서 코아세르베이트의 역할에 대한 오파린의 이론은 RNA 세계 가설에 대한 관심으로 대체되었다. 이후 과학자들이 복합 코아세르베이션의 기초가 되는 상호 작용이 생물학적 물질의 제작과 자기 조립에 관련성이 높다는 것을 인식하면서 코아세르베이트에 대한 새로운 관심이 시작되었다.

2009년 이후, 코아세르베이트는 막이 없는 세포 소기관과 연결되었으며, 원시 세포로서 코아세르베이트에 대한 관심이 다시 높아졌다.

2.1. 초기 연구 (1910년대 ~ 1940년대)

20세기 초, 과학자들은 고체 입자의 분산과 고분자 분자의 용액 모두에 대한 콜로이드의 안정성에 관심을 가졌다. 염과 온도가 종종 콜로이드의 응집을 유발할 수 있다는 것이 알려져 있었다. 독일의 화학자 F.W. Tiebackx는 1911년에 응집이 특정 고분자 용액을 혼합하여 유도될 수 있다고 보고했다. 특히 그는 산성화된 0.5% "세척된" 젤라틴 용액과 2% 아라비아 검 용액을 동일 부피로 혼합했을 때 유백광(탁한 혼합물)이 관찰되는 것을 보고했다. Tiebackx는 플록의 특성을 더 이상 분석하지 않았지만, 이것이 복합 코아세르베이션의 예였을 가능성이 높다.

네덜란드 화학자 H. G. Bungenberg-de Jong은 그의 박사 학위 논문(위트레흐트, 1921)에서 한천 용액에서 두 가지 유형의 응집을 보고했다. 하나는 현탁액 상태로 이어지고 다른 하나는 유상액 상태로 이어진다. 그는 현미경으로 유상액 상태를 관찰하고 더 큰 입자로 합쳐지는 작은 입자를 설명했는데(논문, p. 82), 이것은 합체하는 코아세르베이트 방울에 대한 설명일 가능성이 높다. 몇 년 후인 1929년, Bungenberg-de Jong은 그의 박사 지도교수인 H. R. Kruyt와 함께 "코아세르베이션. 콜로이드 시스템의 부분적인 혼화성"이라는 중요한 논문을 발표했다. 그들의 논문에서 그들은 온도 변화, 염, 공용매 첨가 또는 두 개의 반대 전하를 띤 고분자 콜로이드를 혼합하여 유상액 상태로 응집하는 콜로이드 시스템의 더 많은 예를 제시하고, 코아세르베이트 방울의 첫 번째 현미경 사진으로 그들의 관찰을 설명했다. 그들은 이 현상을 코아세르베이션이라고 명명했는데, 이는 접두사 'co'와 라틴어 단어 'acervus'(더미)에서 유래했으며, 이는 밀도가 높은 액체 방울과 관련이 있다. 따라서 코아세르베이션은 '더미로 모이다'로 번역된다. 그 이후로 Bungenberg-de Jong과 그의 라이덴 연구 그룹은 자가 코아세르베이션, 염 효과, 계면 장력, 다상 코아세르베이트 및 계면활성제 기반 코아세르베이트에 대한 결과를 포함하여 코아세르베이트에 관한 일련의 논문을 발표했다.

그동안 러시아 화학자 알렉산더 오파린은 생명의 기원에 대한 그의 원시 세포 이론을 제시하는 선구적인 연구를 발표했다. 오파린은 초기 원시 세포 모델에서 1861년 그레이엄이 콜로이드를 일반적으로 흐린 용액을 생성하고 막을 통과할 수 없는 물질로 묘사한 것에서 영감을 얻었다. 오파린은 이러한 특성을 원형질과 연결하고, 콜로이드의 침전물은 점액 또는 젤리의 덩어리나 덩어리로 형성되며, 이 중 일부는 원형질과 유사한 구조적 특징을 가지고 있다고 추론했다. 오파린에 따르면, 원시 세포는 따라서 콜로이드의 침전에 의해 형성될 수 있었다. 그의 후기 연구에서 오파린은 그의 원시 세포 모델에 대해 더 구체적으로 언급했다. 그는 1938년 그의 저서에서 Bungenberg-de Jong의 코아세르베이트에 대한 연구를 설명하고, 최초의 원시 세포가 코아세르베이트였다고 가정했다.

다른 연구자들이 따랐으며, 1930년대와 1940년대에 Bungenberg-de Jong, 오파린, Koets, Bank, Langmuir 등에 의해 코아세르베이션의 다양한 예가 보고되었다.

3. 형성 원리 및 열역학

코아세르베이트는 친액성 콜로이드의 일종으로, 밀집된 상은 원래 용매(일반적으로 물)의 일부를 유지하며 고체 응집체로 붕괴되지 않고 액체 특성을 유지한다. 코아세르베이트는 액체-액체 상 분리(LLPS)의 추진력에 따라 복합형 또는 단순형으로 분류될 수 있다. 연관형 LLPS는 거대 분자 간의 인력(예: 반대 전하를 띤 고분자 간의 정전기적 힘)에 의해 지배되며, 분리형 LLPS는 반발력 최소화(예: 무질서한 영역을 포함하는 단백질의 소수성 효과)에 의해 추진된다.

조성에 대한 탈혼합의 자유 에너지 변화를 최소화함으로써($\backslash frac\{\backslash partial^\{2\}\; \backslash Delta\_\{\backslash operatorname\{mix\}\}\; G\}\{\backslash partial\; x^\{2\}\}=0$), 스피노달 곡선이 정의된다. 이 곡선과 비교한 혼합물의 조건은 상 분리 메커니즘, 즉 코아세르베이트 방울의 핵 생성-성장(이중선 영역을 천천히 교차할 때)과 스피노달 분해를 정의한다.

그 외에도 친수 콜로이드 용액과 소수성 콜로이드 용액을 섞는 등의 방법으로도 코아세르베이트를 생성할 수 있다.

코아세르베이트는 물질의 미세 캡슐화가 가능하기 때문에 감압지 제조에 응용되고 있으며, 염료나 신약 개발에도 응용이 검토되고 있다(마이크로스피어).

3.1. 단순 코아세르베이션

친수 콜로이드 수용액에 수화 작용을 저하시키는 물질을 첨가하면 코아세르베이트가 생성된다. 이때 콜로이드 입자 주변에만 액층 분자에 대한 친화력이 발생하고, 떨어진 액층 분자에는 친화력이 발휘되지 않는다. 예를 들어, 젤라틴액에 알코올류를 첨가하면 코아세르베이트가 생성되는데, 이를 단순 코아세르베이트라고 한다.

분리형 액체-액체 상 분리(LLPS)의 열역학은 플로리-허긴스 고분자 혼합 모델로 설명할 수 있다. 이상적인 고분자 용액에서 혼합 자유 에너지(Δ_mixG)는 혼합 엔트로피(Δ_mixS)가 양수이고 상호 작용 엔탈피가 모두 동일하다고 간주되기 때문에 음수이다(Δ_mixH 또는 χ = 0). 비이상적인 용액에서 Δ_mixH는 0과 다를 수 있으며, 이 과정은 엔트로피 항을 극복하고 비혼합 상태를 선호할 만큼 흡열적이다. 분자량이 작은 용질은 이러한 비이상성에 거의 도달하지 못하지만, 중합체 용질의 경우 상호 작용 부위 N이 증가하고 엔트로피 기여도가 감소함에 따라 단순 코아세르베이션이 훨씬 더 발생하기 쉽다.

혼합물의 상 평형 그림은 실험적으로 2상 경계 또는 이중선 곡선을 결정하여 예측할 수 있다. 단순한 이론적 접근 방식에서 이중선은 서로 다른 온도(또는 기타 상호 작용 매개변수)에서 탈혼합의 자유 에너지가 최소가 되는 조성이다($\backslash frac\{\backslash partial\; \backslash Delta\_\{\backslash operatorname\{mix\}\}\; G\}\{\backslash partial\; x\}=0$).

3.2. 복합 코아세르베이션

친수 콜로이드 수용액을 혼합하거나 친수 콜로이드 용액에 침전제를 투입하면 복합 코아세르베이트가 발생한다. 예를 들어, 온도나 pH를 적절히 조정한 완충 용액에 젤라틴 수용액과 아라비아 검 수용액을 적하시키면 생성된다. 이때, 콜로이드와 액층은 대전의 정과 부가 서로 다르다.

3.3. 열역학적 설명

코아세르베이트는 액체-액체 상 분리(LLPS)라는 현상에 의해 만들어지는데, 이는 거대 분자 간의 인력이나 반발력에 의해 발생한다. 분리형 LLPS의 열역학적 원리는 플로리-허긴스 고분자 혼합 모델을 통해 이해할 수 있다.

이상적인 고분자 용액에서는 섞일 때 엔트로피(Δ_mixS)가 증가하고 상호작용 엔탈피는 모두 같다고 가정하기 때문에, 섞이는 과정의 자유 에너지(Δ_mixG)는 항상 음수가 된다. 하지만 실제 용액에서는 상호작용 엔탈피(Δ_mixH)가 0이 아닐 수 있으며, 이로 인해 섞이지 않는 상태가 더 유리해질 수 있다. 특히, 중합체 용질의 경우 상호작용하는 부위가 많아지고 엔트로피의 영향이 줄어들어 단순 코아세르베이션이 더 쉽게 일어난다.

혼합물이 어떤 조건에서 상 분리가 일어나는지는 실험적으로 2상 경계(이중선 곡선)를 통해 알 수 있다. 이론적으로는, 서로 다른 온도에서 섞이지 않는 자유 에너지가 최소가 되는 조성을 찾으면 된다. ($\backslash frac\{\backslash partial\; \backslash Delta\_\{\backslash operatorname\{mix\}\}\; G\}\{\backslash partial\; x\}=0$).

또는 조성에 대한 탈혼합의 자유 에너지 변화를 최소화함으로써($\backslash frac\{\backslash partial^\{2\}\; \backslash Delta\_\{\backslash operatorname\{mix\}\}\; G\}\{\backslash partial\; x^\{2\}\}=0$), 스피노달 곡선이 정의된다. 혼합물의 상태가 이 두 곡선 중 어디에 위치하느냐에 따라 상 분리 방식, 즉 코아세르베이트 방울이 생겨나고 성장하는 방식(핵 생성-성장 또는 스피노달 분해)이 결정된다.

반면, 서로 다른 종류의 고분자가 서로 끌어당겨 만들어지는 연관형 LLPS는 설명하기가 더 복잡하다. 왜냐하면 묽은 상과 밀집된 상 모두에 고분자가 존재하기 때문이다. 그중에서도 전하를 띤 두 종류의 폴리전해질이 반대 전하로 인해 서로 끌어당겨 만들어지는 정전기적 기반의 복합 코아세르베이트가 가장 흔하다. Voorn-Overbeek 접근 방식은 플로리-허긴스 모델의 엔탈피 항에 데바이-휘켈 근사를 적용하고, 길이가 같고 농도가 같은 두 폴리전해질을 가정하여 이 현상을 설명한다. 복합 코아세르베이트는 수성 2상 시스템(ATPS)의 한 종류인데, ATPS에는 두 상 모두 한 종류의 고분자가 풍부한 분리 시스템도 포함된다.

4. 생물학적 의의

코아세르베이트는 외부 물질을 받아들이고 내부 물질을 내보내며, 일정 크기 이상이 되면 분열하는 특징을 지니고 있어 한때 원시 생명체의 기원으로 여겨졌다. 그러나 생명체가 가지는 특징 중 일부가 없어 마이크로스피어나 리포솜 등 다른 가설들이 제시되었다.

4.1. 막 없는 세포 소기관 (MLOs)

막 없는 세포 소기관(MLO)은 생체분자 응축물이라고도 불리며, 세포 구획화의 한 형태이다. 미토콘드리아, 핵, 리소좀과 같이 막으로 둘러싸인 고전적인 세포 소기관과는 달리, MLO는 지질 이중층으로 주변과 분리되지 않는다. MLO는 주로 단백질과 핵산으로 구성되며, 약한 분자간 힘으로 결합되어 있다.

MLO는 세포질(스트레스 과립, 처리체 등)과 핵(인, 핵 점상체 등)에 존재한다. 이들은 스트레스 조건에서 세포 물질을 저장하고 보호하며, 유전자 발현 및 신호 전달 제어에 관여하는 등 다양한 기능을 수행한다.

현재 MLO가 액체-액체 상분리(LLPS)를 통해 형성된다는 것이 널리 받아들여지고 있다. 이는 카할체와 P 과립이 액체와 같은 특성을 나타내는 것을 관찰한 후 처음 제안되었으며, 이후 정제된 단백질과 RNA로부터 액체 응축물을 시험관 내에서 재구성할 수 있다는 것을 보여줌으로써 확인되었다. 그러나 MLO를 액체로 지칭해야 하는지는 논란의 여지가 있다. 처음에는 액체와 유사하더라도 시간이 지남에 따라 일부는 고체(응축물 내의 공간적 정렬 정도에 따라 젤과 유사하거나 심지어 결정성)로 성숙하기 때문이다.

MLO 형성에 참여하는 많은 단백질은 내재적 무질서 영역(IDR)을 포함하는데, 이는 여러 이차 구조를 채택하고 용액에서 무작위 코일을 형성할 수 있는 폴리펩티드 사슬의 일부이다. IDR은 LLPS에 필요한 상호작용을 제공하지만, 시간이 지남에 따라 형태 변화(때로는 돌연변이나 번역 후 변형에 의해 촉진됨)로 인해 더 높은 차수의 구조가 형성되고 MLO가 고체화될 수 있다. 일부 MLO는 고체 입자로서 생물학적 역할을 수행하지만(예: 발비아니체는 β-시트 구조에 의해 안정화됨), 많은 경우 액체에서 고체로의 변환은 병리학적 응집체의 형성을 초래한다. 액체-액체 상 분리 및 응집되기 쉬운 단백질의 예로는 FUS, TDP-43 및 hnRNPA1이 있다. 이러한 단백질의 응집체는 근위축성 측삭 경화증, 전측두엽 치매와 같은 신경퇴행성 질환과 관련이 있다.

4.2. 생명 기원 가설

코아세르베이트는 생명체는 아니지만, 외부 물질을 받아들이고 내부 물질을 내보내는 등 몇 가지 특징을 보인다. 일정 크기 이상이 되면 둘로 분열되기도 한다. 이러한 특징 때문에 원시 생명체의 기원으로 추정되기도 했지만, 생물의 특징 중 일부가 없어 마이크로스피어나 리포솜 등 다른 가설들이 제시되었다.

1920년대 러시아의 생화학자 알렉산드르 오파린과 영국의 생물학자 J. B. S. 홀데인은 초기 지구의 바다에 있던 최초의 세포가 코아세르베이트 방울일 수 있다는 가설을 독립적으로 제시했다. 홀데인은 암모니아, 이산화탄소, 물 등이 자외선을 에너지원으로 반응하여 유기 분자 혼합물(원시 수프)이 만들어진다고 보았다. 오파린은 단순한 구성 요소들이 복잡해지면서 국소적으로 조직되거나 자가 조립되어 생명 특성을 가진 원시 세포를 형성할 수 있다고 제안했다. 그는 붕겐베르크 데 용의 콜로이드 응집체(코아세르베이트)를 기반으로 실험하여 단백질과 효소를 원시 세포 내에 캡슐화했다. 시드니 폭스, 카오루 하라다, 스탠리 밀러, 해롤드 유레이의 연구는 무기 구성 요소가 복잡성을 증가시키고 세포와 유사한 구조를 생성할 수 있다는 이론을 뒷받침했다.

오파린-홀데인 가설은 생명 기원 화학 연구의 기초를 세웠지만, 1980년대 이후 지질 세계 및 RNA 세계 시나리오가 더 주목받았다. 그러나 최근에는 수용액에서 느리거나 일어나기 어려운 반응이 무막 구획에서 선호될 수 있다는 연구 결과와 함께 원시 세포로서의 코아세르베이트에 대한 관심이 다시 높아지고 있다.

코아세르베이트는 분열, 융합, 주변 물질 흡수 등의 성질을 보인다. 또한 계면을 통해 외부와 분리되며, 내부에서 흡수한 물질의 화학 반응을 일으킬 수 있다. 폴리펩티드나 당류는 콜로이드 용액이 될 수 있기 때문에, 코아세르베이트는 세포 또는 생명의 기원과 관련이 있다는 가설이 있다. 소비에트 연방의 생화학자 알렉산드르 오파린이 이 분야를 과학적으로 처음 자세히 논하면서 생명 발생의 모델로 코아세르베이트를 채택하여 주목받았다.

찰스 다윈은 현재의 생명이 공통 조상에서 유래한다고 주장하며, 모든 생명은 단 하나의 공통 조상(ur-organism)에서 기원했을 가능성을 언급했다. 오파린은 이 최초의 생명체가 어떻게 무생물에서 생겨났는지를 설명하기 위해 코아세르베이트를 생각했다. 그는 천연 물질에 태양광(특히 자외선)이 무산소 환경에서 조사되어 유기 화합물이 생성되고, 이것이 더 큰 분자로 재결합하여 콜로이드, 나아가 코아세르베이트를 형성했을 것이라고 생각했다. 오파린은 코아세르베이트가 살아있는 세포와 비슷해 보인다는 점에 착안하여, 이것이 복잡해지면서 최종적으로 단순한 생명이 되었을 것이라고 보았다.

이 가설은 최초의 생명 형성에 관한 현재의 가설과 비슷하지만, 코아세르베이트가 직접 최초의 세포가 되었다고는 더 이상 생각되지 않는다. 현재의 가설에서는 무생물에서 세포에 이르기까지 더 많은 단계를 거쳤다고 생각한다.

5. 응용

친수 콜로이드 수용액에 수화 작용을 저하시키는 물질을 첨가하면, 콜로이드 입자 주변에만 액층 분자에 대한 친화력이 발생하고, 떨어진 액층 분자에는 친화력이 발휘되지 않는다. 이러한 코아세르베이트의 성질을 이용하여 물질의 미세 캡슐화가 가능하기 때문에 감압지 제조, 염료나 신약 개발 (마이크로스피어) 등에 응용이 검토되고 있다.