La prima particella frattale in natura si assembla nel triangolo di Sierpinski e non sappiamo perché

Dai bracci a spirale delle galassie ai microscopici cristalli di ghiaccio, la natura sembra cadere in schemi simili a frattali che si ripetono in incrementi sempre più piccoli. Non importa quanto piccolo sia, le parti del modello somigliano comunque al tutto.

L'unica eccezione sembra essere rappresentata dalle molecole, di cui non è noto che mostrino autosimilarità su scale variabili. Cioè, fino ad ora.

Ricercatori provenienti da Germania, Svezia e Regno Unito hanno scoperto un enzima prodotto da un organismo unicellulare che può organizzarsi in un frattale – e non solo un frattale, ma uno schema ripetuto di triangoli noto come Triangolo di Sierpinski.

L'enzima è una forma di citrato sintasi prodotta dai cianobatteri Stafilococco lungoLa loro evoluzione da precursori non frattali suggerisce che tali modelli molecolari possano emergere in modo sorprendentemente rapido.

“Abbiamo trovato questa struttura per caso e quasi non potevamo credere a ciò che abbiamo visto quando l'abbiamo fotografata per la prima volta con un microscopio elettronico.” dice la biochimica Franziska Sendker Istituto Max Planck per la microbiologia terrestre in Germania.

“La proteina crea questi bellissimi triangoli e, man mano che i frattali crescono, vediamo questi spazi triangolari sempre più grandi al centro di essi, il che è completamente diverso da qualsiasi assemblaggio proteico che abbiamo mai visto prima.”

I ricercatori hanno scoperto che c’è una ragione per questo. Hanno utilizzato la microscopia elettronica per studiare la struttura della molecola a livello atomico, esaminando come sono collegate le catene proteiche.

La maggior parte delle molecole contengono… Struttura molto simmetricaDove ciascuna catena proteica si trova nello stesso ordine e relazione con le catene proteiche che la circondano. Questa speciale struttura della citrato sintasi riesce a infrangere questa regola: le catene proteiche sono collegate in modi leggermente diversi, a seconda della loro posizione nella molecola.

Il risultato è l'arrangiamento di Sierpinski e, cosa interessante, la ricerca del team ha scoperto che sembra essersi trattato di un completo incidente senza alcuna funzione. Quando la squadra manipolò geneticamente… S. elongatus Per produrre citrato sintasi non frattale, per i batteri non ha fatto alcuna differenza.

“L’autoassemblaggio viene spesso utilizzato dall’autoevoluzione per organizzare gli enzimi, ma in questo caso i cianobatteri in cui si trova questo enzima non sembravano preoccuparsi molto se la loro citrato sintasi potesse o meno assemblarsi in un frattale”. dice il biologo evoluzionista George Hochberg Istituto Max Planck per la microbiologia terrestre.

“Ciò ci ha portato a chiederci se si sia trattato solo di un innocuo incidente dell'evoluzione. Tali incidenti possono verificarsi quando la costruzione della struttura in questione non è molto difficile.”

Sembra che lo schema frattale non sia troppo difficile da realizzare per una molecola. I ricercatori hanno esplorato la storia evolutiva utilizzando ricostruzioni di sequenze ancestrali per identificare i precursori della molecola citrato sintasi come appare oggi e le sostituzioni di amminoacidi che potrebbero averne cambiato la struttura nel tempo.

Si scopre che bastano pochissime mutazioni per cambiare la forma di una molecola, in modo incredibilmente rapido. Ma ciò che arriva facilmente se ne va facilmente: può scomparire di nuovo altrettanto rapidamente. In effetti, la ricerca del team suggerisce che le molecole frattali siano apparse e scomparse più volte in passato in diverse specie di cianobatteri.

Il fatto è che se una struttura frattale non è biologicamente utile, non c'è motivo per cui un organismo la conservi, quindi scompare. A S. elongatusÈ possibile che la molecola di Sierpiński sia solo temporanea. O forse ci sono alcuni benefici in natura che non si osservano in laboratorio.

“Riteniamo che le transizioni evolutive nell’autoassemblaggio possano essere più comuni di quanto suggeriscano i database strutturali”. I ricercatori scrivono nel loro articolo.

“Forse solo una piccola frazione sarà importante per i loro organismi e persisterà. Molti altri gruppi scompariranno con la stessa rapidità con cui sono apparsi. Quindi possiamo solo chiederci quanti assemblaggi unici si sono evoluti nel corso dei secoli e che non hanno raggiunto il presente per essere scoperti.” ”, osserva.

I risultati sono stati pubblicati in natura.