自然界中的第一个分形分子组装成谢尔宾斯基三角形,我们不知道为什么

从螺旋臂星系到微小的雪晶,自然界似乎陷入了类似分形的模式以越来越小的增量重复。无论你走多小,图案的某些部分仍然与整体相似。

一个例外似乎是分子,它们尚未在不断变化的尺度上表现出自相似性。也就是说,直到现在。

来自德国、瑞典和英国的研究人员发现了一种由单细胞生物产生的酶,这种酶可以将自己排列成分形——不仅仅是任何分形,而是一种称为谢尔宾斯基三角形.

该酶是由蓝藻产生的柠檬酸合酶的一种形式Synechococcus elongatus(细长聚球菌),它从非分形前体进化而来,表明这种分子模式可以出人意料地迅速出现。

“我们完全是偶然发现的,当我们第一次使用电子显微镜拍摄图像时,几乎不敢相信我们所看到的,”生物化学家Franziska Sendker说德国马克斯·普朗克陆地微生物研究所。

“蛋白质形成了这些美丽的三角形,随着分形的增长,我们在它们的中间看到这些越来越大的三角形空隙,这完全不同于我们以前见过的任何蛋白质组装。

谢尔宾斯基三角形是分形几何的典型代表之一。(Solkoll/Wikimedia Commons/公共领域)

研究人员发现,这是有原因的。他们使用电子显微镜在原子水平上研究分子的结构,检查蛋白质链是如何连接的。

大多数分子具有高度对称的结构,每条蛋白质链都落入与其周围的蛋白质链相同的排列和关系中。柠檬酸合酶的这种特殊结构设法打破了这一规则:蛋白质链以略有不同的方式连接起来,这取决于它们在分子中的位置。

结果是谢尔宾斯基安排,有趣的是,该团队的研究发现,这似乎是一场完全没有任何作用的事故。当团队进行基因操作时S. elongatus(细长链球菌)为了产生非分形柠檬酸合酶,它对细菌根本没有影响。

“进化经常使用自组装来调节酶,但在这种情况下,发现这种酶的蓝藻似乎并不关心它的柠檬酸合酶是否可以组装成分形。进化生物学家Georg Hochberg说马克斯·普朗克陆地微生物研究所。

“这促使我们怀疑这是否只是一个无害的进化事故。当所讨论的结构不太难建造时,就会发生这样的事故。

分子在不同水平上的电子显微镜图像。(Sendker 等人,自然界, 2024)

对于分子来说,分形模式似乎并不是一件非常困难的事情。研究人员通过使用祖先序列重建来探索进化历史,以确定今天出现的柠檬酸合酶分子的前体,以及可能随着时间的推移改变其结构的氨基酸取代。

事实证明,只需要极少量的突变就可以改变分子的形状,而且速度惊人。但来得容易就是去得容易——它可以很快再次消失。事实上,该团队的研究表明,分形分子在过去多次出现在不同种类的蓝藻中。

只是,如果分形结构在生物学上没有帮助,那么生物体就没有理由保留它,所以它就消失了。为S. elongatus(细长链球菌),谢尔宾斯基分子可能只是暂时的。或者,也许在自然界中,有一些在实验室环境中没有观察到的好处。

“我们怀疑自组装中的进化转变可能比结构数据库看起来更常见,”研究人员在他们的论文中写道.

“也许只有一小部分对他们的生物体变得重要并持续存在。许多其他人会像它们出现一样迅速消失。因此,我们只能想知道,在亿万年的时间里,有多少独特的集会已经演变成从未出现过供我们观察的集会。

研究结果已发表在自然界.

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