Открытие первого в природе молекулярного фрактала, описанное в журнале Nature, – событие, заставляющее переосмыслить устоявшиеся представления о самоорганизации белков и эволюции сложных структур. Исследовательская группа из Института Макса Планка и Университета Филиппа в Марбурге, изучая фермент цитратсинтазу цианобактерии, обнаружила, что его молекулы спонтанно формируют узор, повторяющий геометрию треугольника Серпинского – классического примера фрактальной структуры.
Фракталы, объекты, обладающие свойством самоподобия, где части повторяют форму целого, встречаются повсеместно в природе: от ветвящихся структур растений до извилистых очертаний горных хребтов. Однако на молекулярном уровне подобная организация считалась маловероятной. Традиционные модели самосборки белков предполагают высокую степень симметрии, что приводит к образованию регулярных решёток или фибрилл, но не фрактальных узоров.
Цитратсинтаза цианобактерии бросает вызов этой парадигме. Структурный анализ с использованием электронной микроскопии показал, что различные субъединицы белка вступают в уникальные взаимодействия, создавая асимметрию, необходимую для формирования фрактальной геометрии.
CS S. elongatus PCC 7942 собирается в треугольники Серпинского (Авторство: 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 CC-BY 4.0)Глубокое изучение эволюционной истории цитратсинтазы привело к ещё более интригующим выводам. Эксперименты по "обратной эволюции", восстанавливающие предковую форму белка, продемонстрировали, что фрактальный узор возник внезапно из-за нескольких мутаций, но впоследствии исчез у большинства видов цианобактерий.
Уровни фрактальной сборки. (Авторство: 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 CC-BY 4.0) Это свидетельствует о том, что фрактальная организация цитратсинтазы – скорее всего, результат эволюционной случайности, нейтральный признак, не предоставляющий селективного преимущества. Данный факт подчёркивает важность стохастических процессов в эволюции, демонстрируя, что сложные фенотипы могут возникать без явной адаптивной функции.
Молекулярная основа фрактальной сборки (Авторство: 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 CC-BY 4.0) Открытие молекулярного фрактала имеет далеко идущие последствия для различных научных дисциплин:
- Новая парадигма самоорганизации: существование молекулярного фрактала указывает на то, что принципы самосборки белков гораздо сложнее и разнообразнее, чем считалось ранее. Асимметрия и случайность могут играть ключевую роль в формировании структур с уникальными свойствами.
- Переосмысление эволюции: возникновение фрактальной структуры как нейтрального признака ставит под сомнение принцип адаптационизма, согласно которому все биологические структуры должны иметь эволюционное преимущество. Случайность и нейтральные мутации могут быть не менее важными факторами эволюционного процесса.
- Биомиметика и нанотехнологии: фрактальные структуры обладают уникальными физическими и химическими свойствами, такими как высокая площадь поверхности, фрактальная размерность и самоподобие. Изучение молекулярного фрактала цитратсинтазы может открыть новые пути для создания биомиметических материалов с улучшенными характеристиками, например, для катализа, доставки лекарств или сенсорики.
Открытие молекулярного фрактала в цианобактерии – это не просто научная сенсация, но и философский повод задуматься о роли случайности в возникновении порядка, о сложном взаимодействии хаоса и гармонии в природе. Этот феномен открывает перед нами новые горизонты исследований и вдохновляет на поиск других "случайных шедевров" в микромире, которые могут изменить наше представление о жизни и её эволюции.
