Първата естествена фрактална молекула - неочаквано геометрично творение на еволюцията

Учените откриха ензим в цианобактерии, който образува триъгълник на Сиерпински, разкривайки първия познат на природата молекулярен фрактал

Ваня Милева Последна промяна на 15 април 2024 в 00:00 8601 0

Протеинът цитрат синтаза се самосглобява във фрактален модел на триъгълника на Сиерпински

Кредит MPI f. Terrestrial Microbiology/ Hochberg

Протеинът цитрат синтаза се самосглобява във фрактален модел на триъгълника на Сиерпински

Открит е първият молекулярен естествен фрактал в природата. Това е ензим в цианобактериите, наречен цитрат синтаза, който се сглобява в модел на триъгълник на Сиерпински.

Това откритие на изследователи от института "Макс Планк" в Марбург и университета "Филипс" в Марбург бе много неочаквано и предполага, че природата може да има по-сложни дизайни на молекулярно ниво.

Проява на фрактална геометрия на ниво молекула

Фракталите са модели (патерни), които се повтарят в различни мащаби, създавайки сложни структури от прости правила. Те се срещат навсякъде в природата, от формите на планините и бреговете до разклоненията на дърветата и жилките в листата. За разлика от традиционните геометрични форми, фракталите могат да имат безкрайни детайли, изглеждащи еднакви във всеки мащаб. Това означава, че независимо дали увеличавате или намалявате, шарката остава еднаква.

Подобна закономерност обаче не е забелязвана досега на молекулярния свят досега. Въпреки че молекулите могат да се сглобяват сами във всякакви интересни форми, те обикновено губят отличителните си характеристики, когато се наблюдават по много, смесвайки се в гладък континуум. Това прави откритието на молекулярен фрактал едновременно изненадващо и значимо.

Изследователският екип се натъкна на този молекулярен фрактал, докато изучава микробни ензими чрез електронна микроскопия. Учените споделят своето учудване при вида на спонтанното сглобяване на ензима в емблематичния фрактален модел на триъгълника на Серпински. Триъгълникът на Серпински се създава чрез многократно вписване на триъгълник по средата от по-голям триъгълник, което води до модел от безкрайно повтарящи се триъгълници в триъгълници.

"Натъкнахме се на тази структура напълно случайно и почти не можехме да повярваме какво виждаме, когато за първи път я заснехме с помощта на електронен микроскоп", разказва първият автор Франциска Сендкер (Franziska Sendker) от Института Макс Планк за земна микробиология.

"Протеинът прави тези красиви триъгълници и докато фракталът расте, ние виждаме тези все по-големи и по-големи триъгълни празнини в средата им, което е напълно различно от който и да е протеинов сбор, който сме виждали досега", продължава Сендкер.

sierpinski

Триъгълникът на Серпински, както и цяла серия фрактали като килимът (квадратът), кривата на Серпински са измислени от полския математик Вацлав Франциск Серпински през 1915г. Серпински е учен с изключителен принос към теорията на множествата, теорията на числата, теорията на функциите и топологията. Тази анимация показва ясно точното самоподобие в този фрактал - триъгълника на Серпински.

Разбиване на фракталния код

Разбирането как този ензим постига своята фрактална геометрия представлява уникално предизвикателство. Ян Шулер (Jan Schuller) и неговият екип от университета в Марбург използват електронна микроскопия, за да разгадаят молекулярната структура на ензимната група. Обаче компютърът, който интерпретира данните, се обърква от всички по-малки триъгълници, които образуват по-големите. Алгоритъмът продължава да се фокусира върху тези по-малки единици, вместо да намалява, за да види голямата картина, пропускайки гората вместо дърветата.

Изследователите обаче успяват да изобразят структурата на ензима. Те откриват, че ключът към нейното фрактално формиране се крие в нарушаването на конвенционалната симетрия, наблюдавана при самосглобяването на протеините. В една типична протеинова верига всеки отделен протеин приема една и съща подредба по отношение на своя съсед. Но вместо да възприемат еднакво подреждане, различните протеинови вериги си взаимодействат по леко различни начини във фрактала, което води до появата на модела на Серпински.

Кредит: Sendker, F.L., Lo, Y.K., Heimerl, T. et al.

Интересното е, че тази уникална фрактална сглобка изглежда напълно случайна - случаен страничен продукт на еволюцията. Експерименти, при които учените генетично премахват способността на цитрат синтазата да се сглобява във фрактали, предполагат, че това не засяга растежа на цианобактериите. Това означава, че тази сложна структура може да е възникнала по еволюционна случайност, вместо да служи на специфична биологична цел.

"Това ни накара да се запитаме дали това може да е просто безвреден инцидент на еволюцията. Такива инциденти могат да се случат, когато въпросната структура не е твърде трудна за изграждане", обяснява еволюционният биолог Георг Хохберг (Georg Hochberg), един от главните автори на изследването.

Обратна еволюция

За да проучат по-нататък произхода на фрактала, изследователите са направили обратно инженерство на еволюцията на протеиновата последователност на фракталния ензим в продължение на милиони години. Чрез обратно изчисляване на протеиновата последователност на древни цианобактерии и възпроизвеждане на тези протеини, изследователите откриват, че фракталното подреждане се появява внезапно от малък брой мутации и впоследствие се губи в няколко линии на цианобактерии, оцелявайки само в един вид.

Няма належащ еволюционен фактор, няма основателна причина този фрактален ензим да съществува. И все пак го има. Това може да означава, че може да има други естествени фрактални протеини, които чакат да бъдат открити в естествения свят.

Справка: Sendker, F.L., Lo, Y.K., Heimerl, T. et al. Emergence of fractal geometries in the evolution of a metabolic enzyme. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07287-2 

Източник: This is the first fractal molecule in nature — the unexpected geometric artwork of evolution, ZMEScience

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !