Фракталы — это увлекательный тип узоров для любителей математики с их повторяющимися, искусственно выглядящими структурами. Теперь ученые открыли первый известный фрактальный белок – и это, похоже, эволюционная случайность.
Фракталы сложно дать определение даже математикам, но, вообще говоря, это геометрические фигуры, состоящие из более мелких структур, которые сами по себе напоминают целое. На практике это означает, что если вы увеличите часть фрактала, вы увидите аналогичную структуру, а если вы увеличите часть этой части, вы увидите аналогичную структуру, и так далее, по существу, до бесконечности.
В природе фрактальные особенности проявляются в таких вещах, как снежинки, молнии и речные сети. Молекулы могут показаться идеальным местом, где вы ожидаете их найти, поскольку они могут принимать самые разные интригующие формы, но среди всех существующих каталогов молекул никогда не было регулярного фрактала (тех, которые почти точно совпадают поперек). масштабы).
Но теперь ученые из Института Макса Планка и Университета Филиппса обнаружили первый регулярный молекулярный фрактал. Это фермент, используемый некоторыми видами цианобактерий для производства цитрата, который, как было обнаружено, естественным образом собирается в определенный фрактальный узор, называемый треугольником Серпинского.
Развитие треугольника Серпинского фрактальный узор Саперо
По сути, начните с одного равностороннего треугольника. Затем вырежьте перевернутый треугольник из центра, чтобы у вас получилось три треугольника поменьше, которые составляют один треугольник большего размера с треугольной пустотой в центре (символ, который может показаться знакомым поклонникам The Legend of Zelda). Затем вырежьте перевернутый треугольник из каждого из меньших сплошных треугольников, чтобы у вас получилось три второй фигуры или девять исходной формы, образуя треугольник большего размера. Потенциально вы могли бы продолжать делать это вечно, с каждым меньшим треугольником – и это фрактальный паттерн треугольника Серпинского.
«Мы наткнулись на эту структуру совершенно случайно и почти не могли поверить в то, что увидели, когда впервые сделали ее изображения с помощью электронного микроскопа», — сказала Франциска Сендкер, первый автор исследования. «Белок образует эти красивые треугольники, и по мере роста фрактала мы видим все большие и большие треугольные пустоты в середине, что совершенно не похоже ни на одну белковую сборку, которую мы когда-либо видели».
Чтобы Чтобы выяснить, как этот белок приобретает такую интригующую структуру, исследователи использовали электронную микроскопию для более детального анализа и обнаружили, что его самосборка не была симметричной. Было обнаружено, что разные белковые цепи осуществляют несколько разные взаимодействия в разных положениях фрактала, образуя поразительную структуру.
Так служит ли это математическое чудо определенной цели в биологии бактерий? Чтобы выяснить это, команда генетически изменила микроб так, чтобы белок не образовывал фрактальную структуру, но бактерия все равно могла нормально вырабатывать цитрат.
Это вдохновило исследователей исследовать еще одну возможность: эту структуру относительно легко эволюционировать, поэтому она возникает случайно и не требует определенной цели. Они использовали технику реконструкции наследственной последовательности, чтобы проследить ее возможную эволюцию на протяжении миллионов лет, а затем биохимически произвели эти древние белки.
Возможно, к удивлению, они обнаружили, что фрактальная структура появилась довольно быстро, всего после нескольких мутаций. . Но вскоре он был утерян среди других линий цианобактерий, пока не остался только у одного вида, у которого он был недавно обнаружен.
Хотя мы никогда не можем быть полностью уверены в причинах того, почему что-то произошло в прошлом, это В конкретном случае действительно есть все атрибуты, казалось бы, сложной биологической структуры, которая просто возникла без всякой веской причины, потому что ее было просто очень легко эволюционировать», — сказал Георг Хохберг, старший автор исследования.
Возможно, это не особенно удовлетворительное объяснение для людей, ищущих смысл в чем-то почти искусственном, но, с другой стороны, оно предполагает, что может существовать гораздо больше молекулярных фракталов, ожидающих своего открытия.
Исследование было опубликовано в журнале Nature.
