Фракталы, эти интригующие и завораживающие геометрические структуры, делают природные элементы, обладающие ими, почти гипнотическими. Однако они могут быть еще более гипнотическими в чем-то столь малом, как молекула или фермент. Именно это впервые обнаружили исследователи. Подробностями они поделились в недавней публикации в журнале Nature.
Фракталы — это структуры, которые повторяются в разных масштабах, образуя целостную структуру. Если посмотреть на фрактал с близкого или дальнего расстояния, можно увидеть, как повторяются одни и те же узоры. Другими словами, небольшая часть наблюдаемой структуры похожа на всю структуру. В природе, в макроскопических масштабах, мы часто сталкиваемся с этой высокодетализированной геометрической структурой на математическом уровне. Листья папоротника и капуста романеско — распространенные примеры.
Примеры природных фрактальных фигур. Слева — лист папоротника. Справа — капуста романеско.
Однако на микроскопическом уровне фрактальные узоры никогда ранее не наблюдались. Тем более что так называемые «регулярные», в которых структуры повторяются почти в точности на всех масштабах, очень сложны с геометрической точки зрения. Недавно исследователи из Института Макса Планка в Марбурге и Университета Филлипса в Марбурге случайно обнаружили фрактальную структуру, связанную с цитратсинтазой (CS). Это микробный фермент, отвечающий за клеточный метаболизм в цианобактериях Synechococcus elongatus, фотосинтезирующих бактериях, которые живут как в воде, так и на суше.
Самостоятельная сборка треугольников Серпинского
Исследователи объясняют, что фермент, точную форму которого им удалось обнаружить, спонтанно образует треугольники Серпинского. Это фрактальный объект, состоящий из основного треугольника, состоящего из более мелких треугольников Серпинского, каждый из которых сам делится на еще более мелкие варианты, и так далее.
По словам ученых, по мере развития фрактальной структуры треугольные пустоты становятся все больше и больше. Они утверждают, что никогда раньше не наблюдали подобной сборки белков. Сборка белков, как правило, очень симметрична, поскольку белковая цепочка копирует положение своих соседей. В случае с изученным ферментом сборка демонстрирует асимметрию, которая и лежит в основе фрактальной структуры.
«Белок образует великолепные треугольники, и по мере роста фрактала мы наблюдаем все более крупные треугольные пустоты в центре этих треугольников, что совершенно не похоже ни на одну белковую сборку, которую мы видели раньше«, — говорит Франциска Сендкер, член исследовательской группы, в пресс-релизе.
Историческое развитие фрактального фермента
После этого открытия исследователи провели эксперимент, чтобы понять, как и почему фрактальная структура фермента появилась в ходе эволюции. В частности, они попытались проследить ее развитие, чтобы определить, не является ли она результатом эволюционной случайности. Для этого они провели расчеты, чтобы определить последовательность фрактального белка, какой она была миллионы лет назад. Целью было воспроизвести белки биохимически.
Результаты эксперимента свидетельствуют о том, что фрактальная структура появилась внезапно в ходе эволюции, после очень небольшого числа мутаций. Поэтому ее развитие не потребовало длинного ряда изменений. После появления структура исчезла в других родах цианобактерий, сохранившись лишь у определенного вида. По мнению исследователей, эта структура могла появиться без реальной эволюционной причины.
