Фракталы, эти интригующие и завораживающие геометрические структуры, делают природные элементы с ними почти гипнотическими. Но могут быть еще более гипнотическими в чем-то столь малом, как молекула или фермент. Впервые это обнаружили исследователи, подробностями о чем поделились в недавней публикации в журнале. .
Фракталы – структуры, повторяющиеся на разных масштабах, создавая единую картину. При рассмотрении фрактала с близкого или дальнего расстояния видны повторяющиеся узоры. Малая часть наблюдаемой конструкции напоминает всю структуру. В природе в крупных масштабах эта высокодетализированная геометрическая форма встречается часто. Листья папоротника и капуста романеско – примеры этого явления.
Фрактальные узоры до настоящего времени не наблюдались на микроскопическом уровне. Особенно это удивительно, поскольку так называемые «регулярные» структуры, повторяющиеся почти точно на всех масштабах, сложны с геометрической точки зрения. Недавно исследователи из Института Макса Планка в Марбурге и Университета Филлипса обнаружили фрактальную структуру, связанную с цитратсинтазой (CS). Это микробный фермент, отвечающий за клеточный метаболизм в цианобактериях Synechococcus elongatus, фотосинтезирующих бактериях, которые обитают как в воде, так и на суше.
Самостоятельная сборка треугольников Серпинского
Учёные выяснили, что фермент, форму которого удалось установить, спонтанно создаёт фигуры типа Треугольник Серпинского. Это фрактальный объект, состоящий из основного треугольника, который в свою очередь образует более мелкие Треугольники Серпинского, каждый из которых разлагается на ещё более мелкие варианты и так далее.
Ученые сообщают, что при развитии фрактальной структуры треугольные пустоты увеличиваются. Никогда ранее не наблюдалась подобная организация белков. Обычно сборка белков очень симметрична, поскольку белковая цепь повторяет положение соседей. В случае изученного фермента сборка демонстрирует асимметрию, которая является основой фрактальной структуры.
«Белок формирует прекрасные треугольники. При росте фрактала появляются всё более массивные треугольные провалы в центрах этих треугольников, чего нельзя сказать о любой ранее наблюдаемой структуре белка. — Говорит Франциска Сендкер, член исследовательской группы, в сообщении для прессы.
Историческое развитие фрактального фермента
Исследователи провели эксперимент после открытия, чтобы понять, как и почему фрактальная структура фермента появилась в ходе эволюции.
Попытка проследить ее развитие помогла определить, не является ли она результатом эволюционной случайности. Для этого провели расчеты, чтобы определить последовательность фрактального белка миллионы лет назад. Цель — воспроизвести белки биохимически.
Эксперимент показал, что фрактальная структура возникла в ходе эволюции внезапно, после небольшого количества мутаций. Ее развитие не потребовало длительного ряда изменений. После появления структура исчезла в других родах цианобактерий, за исключением определенного вида. Ученые полагают, что эта структура могла появиться без настоящей эволюционной причины.