В Институте Макса Планка открыли первый в природе молекулярный фрактал

Международная команда исследователей под руководством биохимиков из Института наземной микробиологии Макса Планка (Германия) сообщила об открытии первого природного белка — цитратсинтазы цианобактерии Synechococcus elongatus, который самоорганизуется в повторяющиеся фрактальные узоры — в данном случае треугольник Серпинского. Это первая известная несинтетическая молекула, которая может собираться во фрактал. До сих пор считалось, что на это способны только искусственно созданные микросистемы (либо макроскопические в природе). Исследование представлено в журнале Nature.

Ученые разглядели необычную структуру во время исследования под электронным микроскопом фермента цитратсинтазы, который вырабатывает одноклеточный организм — цианобактерия S.elongatus. По словам биохимиков, они наткнулись на свое открытие случайно и даже не сразу поверили в то, что увидели.

«Белок образует эти красивые треугольники, и по мере роста фрактала мы видим все большие и большие треугольные пустоты в их середине, которые совершенно не похожи ни на одну белковую сборку, которую мы когда-либо видели раньше».

Фрактал — это объект, форма которого точно или примерно повторяет форму его составных частей, например, большой треугольник из множества маленьких треугольников. Фрактал, в который выстраивается молекула цитратсинтазы, известен как Треугольник Серпинского. Однако предшественники открытого белка не создавали фрактальных структур.

Как фракталы появились в молекулах бактерий

Авторы продолжили исследование, чтобы выяснить, как произошла эта эволюция и главное — зачем. Они изучили структуры, создаваемые молекулами, на атомном уровне и обнаружили, что их белковые цепи связываются особым образом.

Тогда как у других молекул белковые цепочки располагаются и связываются друг с другом одинаково, за счет чего образуют высокосимметричные структуры. У этой группы цитратсинтазы они нарушают правила: по-разному могут располагаться в молекулах и по-разному соединяться между собой. В результате такого «хаоса» и образуются фрактальные узоры.

Биохимики поэкспериментировали с бактериями, генетически их модифицировали и получили цитратсинтазу, которая не могла собираться в треугольники. Однако это никак не сказалось на росте и развитии организма. Исследователям потребовалось произвести всего лишь несколько мутаций, чтобы лишить молекулу фрактальных свойств, а потом вернуть их.

Поэтому они пришли к выводу, что такие молекулярные структуры в природе могут возникать очень быстро. И скорее всего, это была полная случайность, у этой необычной самосборки нет какой-либо функции и смысла. Так же легко она может исчезнуть, если не станет чем-то полезна организму.

Авторы предполагают, то фрактальные молекулы могли появляться и исчезать в прошлом цианобактерий не раз, только мы об этом не знали. Однако остается вероятность, что молекулы S.elongatus строят свои треугольники Серпинского не просто так — их эволюционное преимущество могло быть не замечено в условиях лаборатории.