_ Descoperirea prima moleculă fractală din natură

O echipă internațională de cercetători condusă de grupuri de la Institutul Max Planck din Marburg și de la Universitatea Philipps din Marburg a dat peste primul fractal molecular obișnuit din natură. Ei au descoperit o enzimă microbiană - citrat sintaza dintr-o cianobacterie - care se adună spontan într-un model cunoscut sub numele de triunghiul Sierpinski. Microscopia electronică și studiile de biochimie evolutivă indică faptul că acest fractal poate reprezenta un accident evolutiv.

Studiul este publicat în Nature.

Fulgi de zăpadă, frunze de ferigă, capete de conopidă romanesco: multe structuri în natură. au o anumită regularitate. Părțile lor individuale seamănă cu forma întregii structuri. Astfel de forme, care se repetă de la cel mai mare la cel mai mic, se numesc fractali. Dar fractalii obișnuiți care se potrivesc aproape exact pe scară, ca în exemplele de mai sus, sunt foarte rari în natură.

Moleculele au, de asemenea, o anumită regularitate. Dar dacă te uiți la ele de la mare distanță, nu mai poți vedea niciun semn în acest sens. Apoi vedeți materie netedă ale cărei caracteristici nu se mai potrivesc cu cele ale moleculelor individuale. Gradul de structură fină pe care îl vedem depinde de mărirea noastră – spre deosebire de fractali, unde auto-asemănarea persistă la toate scările. De fapt, fractalii obișnuiți la nivel molecular sunt complet necunoscuti în natură.

Acest lucru este oarecum surprinzător. La urma urmei, moleculele se pot asambla în tot felul de forme minunate. Oamenii de știință au cataloage extinse de structuri moleculare complexe auto-asamblate. Cu toate acestea, nu a existat niciodată un fractal obișnuit printre ei. Se dovedește că aproape toate auto-asamblarile cu aspect obișnuit conduc la un tip de regularitate care devine lină la scară mare.

O echipă internațională de cercetători condusă de grupuri de la Institutul Max Planck din Marburg și Universitatea Phillips. în Marburg a descoperit acum primul fractal molecular regulat din natură. Ei au descoperit o enzimă microbiană - citrat sintaza dintr-o cianobacterie - care se adună spontan într-un model fractal obișnuit cunoscut sub numele de triunghiul Sierpiński. Aceasta este o serie de triunghiuri care se repetă la infinit, alcătuite din triunghiuri mai mici.

„Ne-am împiedicat de această structură complet accidental și aproape nu ne-a venit să credem ce am văzut când am făcut prima dată imagini folosind un microscop electronic. ”, spune prima autoare Franziska Sendker.

„Proteina face aceste triunghiuri frumoase și, pe măsură ce fractalul crește, vedem aceste goluri triunghiulare din ce în ce mai mari în mijlocul lor, ceea ce este total diferit de orice ansamblu de proteine ​​pe care îl avem. am mai văzut vreodată”, continuă ea.

Cum a apărut această excepție neobișnuită? Ce diferențiază enzima de toate celelalte, determinând-o să formeze o formă fractală? Făcând echipă cu biologul structural de la Universitatea din Marburg, echipa a reușit în cele din urmă să determine structura moleculară a acestui ansamblu folosind microscopia electronică, care a ilustrat modul în care își realizează geometria fractală.

„Aceasta a fost una dintre cele mai dificile. , dar și structuri mai fascinante pe care le-am rezolvat în cariera mea”, spune Jan Schuller, al cărui grup a ajutat la determinarea structurii.

„Problema cu determinarea structurii unui fractal este că tehnicile noastre de mediere a imaginii au continuat să devină confuz de faptul că triunghiurile mai mici pot fi substructuri ale triunghiurilor mai mari. Algoritmul a continuat să se concentreze asupra acestor triunghiuri mai mici în loc să vadă structurile mai mari din care fac parte", explică el.

Asimetria duce la fractal. formare

Cu structura în mână, a devenit clar modul în care această proteină reușește să se asambleze într-un fractal: în mod normal, atunci când proteinele se autoasamblează, modelul este foarte simetric: fiecare lanț proteic individual adoptă același aranjament relativ către vecinii săi. Astfel de interacțiuni simetrice conduc întotdeauna la modele care devin netede la scară mare.

Cheia proteinei fractale a fost că ansamblul acesteia a încălcat această regulă de simetrie. Diferite lanțuri de proteine ​​au făcut interacțiuni ușor diferite în poziții diferite în fractal. Aceasta a stat la baza formării triunghiului Sierpiński, cu golurile sale mari interne, mai degrabă decât a unei rețele obișnuite de molecule.

Acest ansamblu bizar face ceva util? „Auto-asamblarea este adesea folosită de evoluție pentru a regla enzimele, dar în acest caz cianobacteriei în care se găsește această enzimă nu pare să-i pese prea mult dacă citrat sintaza sa se poate asambla sau nu într-un fractal”, spune biologul evoluționist Georg Hochberg. unul dintre autorii seniori ai studiului.

Când echipa a manipulat genetic bacteria pentru a preveni asamblarea citrat-sintazei în triunghiurile fractale, celulele au crescut la fel de bine într-o varietate de condiții. „Acest lucru ne-a determinat să ne întrebăm dacă acesta ar putea fi doar un accident inofensiv al evoluției. Astfel de accidente se pot întâmpla atunci când structura în cauză nu este prea dificil de construit.”

Pentru a-și testa teoria, echipa a recreat. dezvoltarea evolutivă a aranjamentului fractal în laborator. Pentru a face acest lucru, au folosit o metodă statistică pentru a calcula înapoi secvența de proteine ​​a proteinei fractale așa cum a fost acum milioane de ani.

Până atunci, producând aceste proteine ​​antice biochimic, au fost capabili să arate că aranjamentul a apărut destul de brusc printr-un număr foarte mic de mutații și s-a pierdut imediat din nou în mai multe linii de cianobacterie, astfel încât a rămas intactă doar la această singură specie bacteriană.

„Deși nu putem fi niciodată complet siguri de motivele pentru care lucrurile s-au întâmplat în trecut, acest caz particular are toate capcanele unei structuri biologice aparent complexe care tocmai a apărut fără niciun motiv întemeiat, deoarece a fost pur și simplu foarte ușor de evoluat”, spune Hochberg.

Faptul că ceva cu aspect atât de complex precum un fractal molecular ar putea apărea atât de ușor în evoluție sugerează că mai multe surprize și multă frumusețe pot rămâne ascunse în ansambluri moleculare nedescoperite până acum ale multor biomolecule.

(Fluierul)