Открытие первой фрактальной молекулы в природе — математическое чудо

Фракталы — это увлекательный тип узоров для любителей математики с их повторяющимися, искусственно выглядящими структурами. Теперь ученые обнаружили первый известный фрактальный белок – и это, похоже, эволюционная случайность.

Фракталы 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 опять увидите аналогичную структуру, и так далее, по существу, до бесконечности.

В природе фрактальные особенности проявляются в таких вещах, как снежинки, молнии или дельты рек. Молекулы могут показаться идеальным местом, где можно их найти, поскольку они могут принимать самые разные формы, но среди всех существующих каталогов молекул никогда не было ни одного правильного фрактала (тех, которые почти точно совпадают по масштабам).

Но теперь ученые из Института Макса Планка и Университета Филиппса обнаружили первый регулярный молекулярный фрактал. Это фермент, используемый видами цианобактерий для производства цитрата, который, как было обнаружено, естественным образом собирается в определенный фрактальный узор, называемый треугольником 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».

Имея в руках структуру, стало ясно, как именно этому белку удается собраться во фрактал: обычно при самосборке белков структура очень симметрична: каждая отдельная белковая цепь принимает такое же расположение относительно своих соседей. Такие симметричные взаимодействия всегда приводят к появлению паттернов, которые становятся одинаковыми в больших масштабах. Ключом к пониманию фрактального белка было то, что его сборка нарушала это правило симметрии. Различные белковые цепи осуществляют несколько разные взаимодействия в разных положениях фрактала. Это послужило основой для формирования треугольника Серпинского с его большими внутренними пустотами, а не регулярной решетки молекул.

Приносит ли эта странная сборка что-нибудь полезное? «Самосборка часто используется эволюцией для регуляции ферментов, но в данном случае цианобактерию, в которой обнаружен этот фермент, похоже, не слишком заботит, сможет ли ее цитратсинтаза собраться во фрактал», — говорит биолог-эволюционист Георг Хохберг, один из ведущих авторов исследования.

Когда команда ученых генетически манипулировала бактерией, чтобы предотвратить сборку ее цитратсинтазы во фрактальные треугольники, клетки росли так же хорошо в различных условиях. «Это заставило нас задуматься, не может ли это быть просто безобидной случайностью эволюции. Такие случаи могут произойти, когда рассматриваемую конструкцию не так уж сложно построить».

Воспроизведение эволюции в лаборатории

Чтобы проверить свою теорию, команда воссоздала в лаборатории эволюционное развитие фрактального устройства. Для этого они использовали статистический метод для обратного расчета белковой последовательности фрактального белка, какой она была миллионы лет назад.

Создав затем эти древние белки биохимическим путем, ученые смогли показать, что эта структура возникла совершенно внезапно в результате очень небольшого количества мутаций, а затем сразу же снова была потеряна в нескольких линиях цианобактерий, так что она осталась нетронутой только у этого единственного вида бактерий.

«Хотя мы никогда не можем быть полностью уверены в причинах того, что произошло в прошлом, в этом конкретном случае действительно есть все атрибуты, казалось бы, сложной биологической структуры, которая просто возникла без всякой веской причины, потому что просто было очень легко развиваться», — говорит Георг Хохберг.

Тот факт, что что-то столь сложное на вид, как молекулярный фрактал, могло так легко возникнуть в ходе эволюции, предполагает, что еще больше сюрпризов могут скрываться в до сих пор неоткрытых молекулярных ансамблях многих биомолекул.

Исследование было опубликовано в журнале Nature.