Бактерия выработала фермент, который собирается во фрактальную структуру — математическую структуру, которая повторяется в меньших масштабах. Фрактальные узоры встречаются повсюду в природе в больших макроскопических масштабах, например, в брокколи романеско или папоротниках, но до сих пор они никогда не были идентифицированы на молекулярном уровне.
Георг Хохберг из Института наземной микробиологии Макса Планка в Марбурге, Германия, и его коллеги обнаружили молекулярный фрактал в ферменте, используемом цианобактерией Synechococcus elongatus. Фермент цитратсинтаза используется множеством организмов как часть цикла Кребса — серии химических реакций, которые генерируют энергию. Но у S. elongatus фермент может принимать необычную форму треугольника со все меньшими треугольными промежутками, известную как треугольник Серпинского.
Цитратсинтаза состоит из одного строительного блока или мономера, который может принимать различные формы, некоторые из которых помогают расщеплять молекулы в цикле Кребса. Используя электронный микроскоп, Хохберг и его команда обнаружили, что у S. elongatus мономеры могут собираться в треугольную форму, содержащую шесть мономеров, которые сами могут объединяться с двумя другими, образуя форму из 18 мономеров. Затем он может объединиться с еще двумя, образуя форму из 54 мономеров, которая снова имеет треугольную форму и напоминает треугольник Серпинского.
Сравнивая фрактальный фермент с генетическими последовательностями других бактерий, команда также проследила его эволюционную историю. «Она возникла очень внезапно, а затем почти сразу же была снова потеряна несколькими различными версиями бактерий и осталась только в этой одной цианобактерии, что делает наше открытие ее почти еще более странным, потому что наши шансы найти ее в основном были близкими к нулю», — говорит Хохберг.
Хотя исследователи подозревают, что фрактальная форма могла дать бактерии некоторое эволюционное преимущество, они не смогли обнаружить какого-либо очевидного эффекта, вызванного удалением фермента в лабораторных экспериментах. «Похоже, что цианобактерии вообще не волнует, есть они там или нет», — говорит член команды Франциска Сендкер.
«Возможно, в природе действительно может быть больше таких сложных, похожих на фракталы форм, просто потому, что люди на самом деле их не искали», — говорит Ард Луи из Оксфордского университета. «Фракталы алгоритмически просты. Их должно быть относительно легко эволюционировать. Даже если они не адаптивны, они вполне могут существовать в более широком диапазоне белковых комплексов».
«Было бы интересно посмотреть, можно ли объединить двумерную треугольную структуру в трехмерные формы, такие как тетраэдр», — говорит Нико Брунс из Технического университета Дармштадта в Германии. «Этот контейнер наноразмера с четко выраженными краями, внутренней и внешней частью, а затем вы попадаете в сферу белковых клеток и капсул, которые можно использовать для инкапсуляции и высвобождения продуктов и других интересующих молекул».
