Enzym wytwarzany przez cyjanobakterie spontanicznie łączy się we wzór znany jako trójkąt Sierpińskiego – wykazał międzynarodowy zespół naukowców. To pierwsza znana nauce molekuła, która potrafi ułożyć się we fraktal.
Fraktale, w uproszczeniu, to figury przedstawiane w graficznej postaci jako bardzo złożone obiekty o określonych cechach. Jedną z nich jest samopodobieństwo, które oznacza, że fraktal oglądany w skali mikro- i makro wygląda tak samo. Innymi słowy, poszczególne jego części przypominają kształtem całą konstrukcję.
Wiele struktur w przyrodzie ma pewną regularność. Widać w nich powtarzające się wzory. To chociażby płatki śniegu czy kalafior, który składa się z różyczek, a te z jeszcze mniejszych i kolejnych różyczek. Jednak regularne fraktale, które są prawie identyczne w każdej skali, zdarzają się w naturze bardzo rzadko.
Cząsteczki również wykazują pewne regularne wzory, ale nie wykazują samopodobieństwa przy zmieniającej się skali. Do tej pory nauka nie znała cząsteczki, która byłaby fraktalem. W nowych badaniach międzynarodowy zespół naukowców kierowany przez uczonych z Instytutu Maxa Plancka w Marburgu i Uniwersytetu Philippsa w Marburgu natknął się na pierwszy w przyrodzie regularny fraktal molekularny. Okazał się nim być enzym wytwarzany przez cyjanobakterie Synechococcus elongatus – syntaza cytrynianowa, który spontanicznie łączy się we wzór znany jako trójkąt Sierpińskiego.
Wyniki i opis badań ukazał się na łamach pisma „Nature” (DOI: 10.1038/s41586-024-07287-2).
Cząsteczki mogą łączyć się w najróżniejsze kształty. W bazach danych znajdują się obszerne katalogi samoorganizujących się złożonych struktur molekularnych. Nigdy jednak nie było wśród nich regularnego fraktala. Aż do teraz. Pierwszy w naturze regularny fraktal molekularny to syntaza cytrynianowa wytwarzana przez cyjanobakterie. Łączy się ona spontanicznie w regularny wzór fraktalny znany jako trójkąt Sierpińskiego. Jest to nieskończenie powtarzający się ciąg trójkątów składający się z coraz to mniejszych trójkątów.
Fot. Solkoll/Wikimedia Commons/Public Domain
- Natknęliśmy się na tę strukturę zupełnie przypadkiem i nie mogliśmy uwierzyć w to, co zobaczyliśmy, kiedy po raz pierwszy wykonaliśmy jej zdjęcia za pomocą mikroskopu elektronowego – mówi Franziska Sendker, pierwsza autorka publikacji. - Białko tworzy te piękne trójkąty, a w miarę wzrostu fraktala widzimy w ich środku coraz większe trójkątne puste przestrzenie, co jest zupełnie niepodobne do żadnego zespołu białek, jaki kiedykolwiek widzieliśmy – dodaje.
Ale co wyróżnia ten enzym spośród wszystkich innych, powodując, że tworzy on kształt fraktala? Badaczom udało się określić strukturę molekularną tego enzymu za pomocą mikroskopii elektronowej, co wyjaśniło, w jaki sposób osiąga on swój kształt.
Zwykle, gdy białka samoorganizują się, wzór jest wysoce symetryczny - każdy pojedynczy łańcuch białka przyjmuje ten sam układ względem swoich sąsiadów. Takie symetryczne interakcje zawsze prowadzą do wzorów, które nie przypominają fraktali, stają się gładkie, jednorodne w dużej skali.
Kluczem do powstania białka o kształcie fraktala jest naruszenie tej symetrii. W syntazie cytrynianowej różne łańcuchy białkowe wchodzą w nieco odmienne interakcje w różnych pozycjach fraktala. Na tej podstawie tworzy się trójkąt Sierpińskiego.
- Ewolucja często wykorzystuje proces samoorganizacji do regulacji enzymów, ale w tym przypadku cyjanobakteria, w której występuje ten enzym, wydaje się nie przejmować zbytnio tym, czy jej syntaza cytrynianowa może połączyć się we fraktal – mówi biolog ewolucyjny Georg Hochberg, jeden z autorów badania.
W dalszych pracach naukowcy zmanipulowali genetycznie cyjanobakterie tak, aby zapobiec gromadzeniu się jej syntazy cytrynianowej w trójkąty fraktalne. Obserwacje pokazały, że cyjanobakteriom nie robiło to specjalnej różnicy – rozwijały się równie dobrze, jak przed manipulacją w genach. - To skłoniło nas do zastanowienia się, czy może to być po prostu nieszkodliwy przypadek ewolucji. Takie wypadki mogą się zdarzyć, gdy dana konstrukcja nie jest zbyt trudna do zbudowania – wyjaśnia Hochberg.
Aby przetestować swoją teorię, zespół odtworzył rozwój ewolucyjny układu fraktalnego w laboratorium. Badaczom udało się wykazać, że układ ten powstał nagle w wyniku bardzo małej liczby mutacji, a następnie natychmiast został utracony w kilku liniach cyjanobakterii i pozostał nienaruszony tylko w tym jednym gatunku. - Chociaż nigdy nie możemy być całkowicie pewni powodów, dla których jakieś wydarzenie miało miejsce w przeszłości, ten konkretny przypadek ma wszystkie cechy struktury biologicznej, która pojawiła się po prostu bez żadnego dobrego powodu – mówi Hochberg.
Jeśli struktura w kształcie fraktala nie jest biologicznie pomocna, organizm nie ma powodu jej zatrzymywać. W przypadku Synechococcus elongatus możliwe jest, że trójkąt Sierpińskiego ma charakter tymczasowy. Inną możliwością jest to, że istnieje pewna korzyść, której nie zaobserwowano w warunkach laboratoryjnych.
Źródło: Max Planck Society, fot. MPI f. Terrestrial Microbiology/ Hochberg
