В природе постоянно встречаются фрактальные формы, повторяющие сами себя в масштабе от большего к меньшему. Фрактальные паттерны наблюдаются и в спиральных рукавах галактик, и в форме снежинок. Но до последнего времени ученые ни разу не встречали фракталов на молекулярном уровне.
Фрактальную молекулу открыл коллектив ученых из Германии, Швеции и Великобритании. Оказалось, что цианобактерия Synechococcus elongatus вырабатывает фермент, молекулы которого образуют фрактал из повторяющихся треугольников. В математике этот фрактал известен как треугольник Серпинского или же "салфетка".
Фрактальный энзим является одной из разновидностей цитратсинтазы. Обычно он не образует сложных правильных геометрических структур.
Открытие было сделано совершенно случайно, призналась биохимик Франциска Зендкер из Института земной микробиологии Макса Планка. "Мы почти не поверили увиденному, когда разглядывали первые снимки, сделанные с помощью электронного микроскопа", – рассказала исследовательница. "Протеин образует красивые треугольники. По мере роста фрактала мы видим, как треугольные пустоты посреди становятся все больше и больше. Это совсем не похоже ни на один протеин мы видели до того", – объяснила Зендкер.
Необычная форма заинтересовала ученых. Они с помощью электронного микроскопа исследовали энзимы на атомарном уровне и определили, как соединяются между собой белковые цепочки.
Как правило у молекул энзимов симметричная структура. Каждая белковая цепочка находится в такой же позиции, что и соседние. Но в этом случае структура у цитратсинтазы оказалась особенной. Каждая белковая цепочка присоединялась к другой несколько иначе, в зависимости от места в молекуле.
Ученые установили, что получившийся треугольник Серпинского на первый взгляд не несет какой-то особенной функции. С помощью генной манипуляции они заставили цианобактерии вырабатывать тот же энзим, но другой формы. В жизненных процессах микроорганизма от этого ничего не поменялось, пишет Science Alert.
"Самосборка – частый эволюционный инструмент в регулировании энзимов, но в данном случае цианобактерии, вырабатывающей вещество, кажется, всё равно, может ли цитратсинтаза образовывать фрактал", – объяснил эволюционный биолог Георг Хохберг. Необычная структура молекулы могла быть просто безобидной случайностью в процессе эволюции.
Оказалось, что построить фрактал из молекулы не так уж и сложно. Ученые изучили эволюционную историю этого энзима. Оказалось, что для получения треугольника Серпинского было достаточно малого количества мутаций. С такой же скоростью эта необычная структура может исчезнуть.
Исследователи считают, что фрактальные энзимы и раньше встречались в клетках цианобактерий, но исчезали в процессе эволюции. Подобная форма не приносит ни пользы, ни вреда организму, и, вероятно, не закрепляется надолго.
Ученые не исключают, что молекулы в форме треугольника Серпинского – только временное явление в цианобактериях. Но, возможно, они действительно дают одноклеточным микроорганизмам какое-то преимущество, которое не удалось заметить в лаборатории. "Остается только задаваться вопросом, как много необычных структур эволюционировали на протяжении эпох и не дожили до нашего времени, чтобы мы их могли наблюдать", – заключил Хохберг.
Synechococcus elongatus – микроскопический одноклеточный организм, способный к фотосинтезу и отличающийся очень быстрым ростом. Он относится к роду Synechococcus – сине-зеленым водорослям, широко распространенным в Мировом океане и пресных водоемах. Synechococcus elongatus привлекает внимание ученых тем, что его можно в перспективе использовать для биосинтеза химического сырья.