Prva fraktalna molekula je prirodno čudo

Međunarodni tim istraživača predvođen istraživačima s Instituta Max Planck u Marburgu i Sveučilišta Philipps u Marburgu otkrio je prvi regularni molekularni fraktal u prirodi.

Fraktali su fascinantan tip uzorka, sa svojim ponavljajućim strukturama umjetnog izgleda, ili kako kaže definicija - geometrijski objekti čija je fraktalna dimenzija strogo veća od topološke dimenzije, odnosno objekti koji daju jednaku razinu detalja neovisno o razlučivosti koju koristimo.

Sada su znanstvenici otkrili prvi poznati fraktalni protein, mikrobni enzim, citrat sintazu iz cijanobakterije, koji se spontano okuplja u uzorak poznat kao trokut Sierpinskog, jedan od najjednostavnijih primjera fraktala.

"Ovo je beskonačno ponavljajući niz trokuta sastavljen od manjih trokuta. Potpuno smo slučajno naletjeli na ovu strukturu i gotovo nismo mogli vjerovati što smo vidjeli kada smo je prvi put snimili pomoću elektronskog mikroskopa", kaže prva autorica studije Franziska Sendker. "Protein čini te prekrasne trokute i kako fraktal raste, vidimo sve veće i veće trokutaste praznine u njihovoj sredini, što je potpuno drugačije od bilo kojeg sklopa proteina koji smo ikada prije vidjeli".

Kod fraktala takozvana "samosličnost" postoji na svim razinama, a pravilni fraktali na molekularnoj razini do sada su bili potpuno nepoznati u prirodi.

Udruživši se sa strukturnim biologom sa sveučilišta u Marburgu, tim je uspio odrediti molekularnu strukturu ovog sklopa pomoću elektronske mikroskopije, koja je rasvijetlila kako postiže svoju fraktalnu geometriju. "Ovo je bila jedna od težih, ali i fascinantnijih struktura koje sam riješio u svojoj karijeri", kaže Jan Schuller, čija je grupa pomogla u određivanju strukture. "Problem s određivanjem strukture fraktala je u tome što je naše tehnike usrednjavanja slike stalno zbunjivala činjenica da manji trokuti mogu biti podstrukture većih trokuta. Algoritam se nastavio usmjeravati na te manje trokute umjesto da vidi veće strukture čiji su dio bili", objašnjava.

Ubrzo je postalo jasno kako se točno ovaj protein uspijeva sastaviti u fraktal. Normalno, kada se proteini sami sastavljaju, uzorak je vrlo simetričan pa svaki pojedinačni proteinski lanac ima isti raspored u odnosu na svoje susjede. Takve simetrične interakcije uvijek dovode do uzoraka koji postaju glatki na velikim razmjerima. Ključ fraktalnog proteina bio je u tome što je njegovo sklapanje kršilo ovo pravilo simetrije. Različiti proteinski lanci napravili su nešto drugačije interakcije na različitim pozicijama u fraktalu. To je bila osnova za formiranje trokuta Sierpińskog, sa svojim velikim unutarnjim prazninama, a ne pravilne rešetke molekula.

Čini li ovaj bizarni sklop nešto korisno? "Samosastavljanje se često koristi u evoluciji za regulaciju enzima, ali u ovom slučaju cijanobakteriju u kojoj se nalazi ovaj enzim ne zanima puno može li se njezina citrat sintaza sastaviti u fraktal ili ne", kaže evolucijski biolog Georg Hochberg, jedan od starijih autora studije.

Kad je tim genetski manipulirao bakterijom kako bi spriječio njezinu citrat sintazu da se sastavi u fraktalne trokute, stanice su jednako dobro rasle pod različitim uvjetima. "To nas je potaknulo da se zapitamo je li ovo možda samo bezopasna slučajnost evolucije".

Kako bi testirali svoju teoriju, istraživači su rekreirali evolucijski razvoj fraktalnog rasporeda u laboratoriju. Upotrijebili su statističku metodu za povratni izračun proteinske sekvence fraktalnog proteina kakav je bio prije više milijuna godina. Biokemijskom proizvodnjom ovih drevnih proteina uspjeli su pokazati da je raspored nastao sasvim iznenada kroz vrlo mali broj mutacija i zatim se odmah ponovno izgubio u nekoliko cijanobakterijskih linija, tako da je ostao netaknut samo u ovoj jednoj bakterijskoj vrsti.

"Iako nikada ne možemo biti potpuno sigurni u razloge zašto su se stvari dogodile u prošlosti, ovaj konkretan slučaj ima sve elemente naizgled složene biološke strukture koja se jednostavno pojavila bez ikakvog valjanog razloga jer je jednostavno bilo vrlo lako evoluirati", kaže Hochberg.

Činjenica da bi nešto tako složenog izgleda kao što je molekularni fraktal moglo nastati tako lako u evoluciji, sugerira da još iznenađenja i puno ljepote možda još uvijek leži skriveno u dosad neotkrivenim molekularnim sklopovima mnogih biomolekula.

Studiju objavljenu u časopisu Nature možete pronaći na ovoj poveznici.