Фрактальные белки: когда природа решает поговорить на языке математики

Исследователи из Института Макса Планка в Германии и Марбургского университета совершили впечатляющее открытие — они нашли в природе первый пример самоорганизующейся фрактальной структуры на молекулярном уровне. Этот белок демонстрирует поразительную геометрическую симметрию, сохраняющуюся при изменении масштаба.

Фракталы представляют собой довольно сложные для определения математические объекты, но в общих чертах их можно охарактеризовать как геометрические формы, состоящие из меньших структур, которые, в свою очередь, напоминают исходную целостную конфигурацию. На практике это означает, что при увеличении любой части фрактала мы будем видеть аналогичную повторяющуюся структуру, и этот процесс может продолжаться практически до бесконечности.

Фрактальные узоры встречаются во многих природных явлениях — от снежинок до молниевых разрядов и речных систем. Однако до сих пор среди всех известных молекул не было выявлено ни одной с регулярной фрактальной конформацией.

Учёные сделали свое неожиданное открытие, изучая с помощью электронной микроскопии молекулы, участвующие в производстве цитрата у одного из вида цианобактерий. «Мы были буквально ошеломлены, обнаружив, что этот белок самопроизвольно собирается в четкую геометрическую фрактальную форму, напоминающую треугольник Серпинского», — рассказывает Франциска Зендкер, ведущий автор исследования.

Дальнейшие изыскания показали, что сборка фрактальной конформации белка происходит неравномерно — разные участки его полипептидной цепи образуют несколько различающиеся связи, в результате чего в центре структуры формируются характерные треугольные пустоты.

Чтобы выяснить, какую биологическую функцию выполняет этот удивительный белок, были проведены генетические эксперименты. Специалисты создали модифицированные бактерии, в которых он не собирался в фрактальную форму, но при этом сохранялась способность продуцировать цитрат. Так появилось предположение, что фрактальная структура, возможно, возникла случайно и не играет особой роли в жизнедеятельности организма.

Проверяя гипотезу, исследователи использовали методику реконструкции предковых последовательностей (ASR), чтобы проследить эволюцию белка на протяжении миллионов лет. Оказалось, что необычная геометрическая сборка появилась достаточно быстро, всего после нескольких мутаций, но затем была утрачена большинством видов цианобактерий, сохранившись лишь в одном.

«Хотя мы никогда не будем на сто процентов уверены в причинах событий прошлого, в данном случае все указывает на то, что эта, казалось бы, сложная биологическая структура возникла как бы случайно, просто потому что природе было относительно легко ее сформировать в ходе эволюции», — отмечает Георг Хохберг, один из соавторов.

Объяснение может разочаровать тех, кто ищет глубокий смысл в этом почти искусственном на вид паттерне. Однако оно вселяет надежду, что в природе может найтись множество других уникальных самоорганизующихся молекулярных структур.