Enzým vytvára vzor známy ako Sierpinského trojuholník.
Citrátsyntáza sa spontánne poskladá do fraktálneho vzoru známeho ako Sierpinského trojuholník. Zdroj: MPI f. Terrestrial Microbiology/Hochberg
Medzinárodný tím výskumníkov vedený skupinami z Inštitútu Maxa Plancka v Marburgu a Philipps University v Marburgu našiel prvý pravidelný molekulárny prírodný fraktál. Vedcom sa podarilo objaviť citrátsyntázu zo sinice – mikrobiálny enzým, ktorý spontánne vytvára vzor známy ako Sierpinského trojuholník. Elektrónová mikroskopia a evolučné biochemické štúdie naznačujú, že tento fraktál mohol vzniknúť evolučnou náhodou.
Trojuholníkový fraktál
Fraktál je, laicky povedané, geometrická konštrukcia, ktorá je sama sebe podobná pri rôznych zväčšeniach. Vyzerá takmer rovnako, keď naň hľadíte z akejkoľvek blízkosti či vzdialenosti. Termín fraktál pochádza z latinského fractus – rozbitý. Pravidelné tvary na molekulárnej úrovni, ktoré sa zhodujú takmer presne na všetkých osiach, sú v prírode veľmi zriedkavé.
V prírode sa fraktálne prvky objavujú vo veciach, ako sú snehové vločky, blesky a riečne siete.
Princíp Sierpinského trojuholníka sa volá podľa Wacława Sierpinského, poľského matematika, ktorý ho v roku 1915 po prvýkrát opísal. Tento útvar je vytvorený rekurzívnym vykresľovaním rovnostranných trojuholníkov.
Snímka z elektrónového mikroskopu trojuholníkovej fraktálnej štruktúry tvorenej enzýmovými monomérmi. Zdroj: Franziska L. Sendkerová
Zázračné molekuly
Vedci už dávno zistili, že molekuly sa dokážu poskladať do najrôznejších úžasných tvarov. Disponujú rozsiahlymi katalógmi komplexných molekulárnych štruktúr, ktoré sa samy zostavia do neuveriteľných tvarov. No nikdy medzi nimi nenašli jednoduchý fraktál.
Enzým citrátsyntáza je súčasťou Krebsovho cyklu, série chemických reakcií, ktoré generujú energiu v širokej škále organizmov. Tento enzým využíva aj sinica Synechococcus elongatus, pri ktorej má ale nezvyčajnú formu trojuholníka obsahujúceho stále menšie a menšie trojuholníky.
Pomocou elektrónového mikroskopu odborníci zistili, že v S. elongatus sa monoméry môžu zostaviť do trojuholníkovej formy obsahujúcej šesť monomérov, ktoré kombinujú s dvoma ďalšími, a tak vytvárajú 18-monomérny tvar. Pridaním ďalších dvoch zhotovia 54-monomérny tvar, ktorý je opäť trojuholníkový a pripomína Sierpinského trojuholník.
Pozrite si
Neprináša asi žiadnu výhodu
Porovnaním fraktálneho enzýmu s genetickými sekvenciami z iných baktérií vedecký tím sledoval jeho evolučnú históriu. „Fraktálna formácia vznikla náhodne a v prípade niekoľkých iných baktérií takmer okamžite zanikla. Ostala len v tejto jedinej cyanobaktérii, vďaka čomu je náš objav ešte bizarnejší, pretože naše šance na jeho objavenie boli takmer nulové,“ vysvetľuje evolučný biológ Georg Hochberg. Vedci priznali, že sami tento fenomén nečakali a objavili ho náhodou.
Hoci odborníci predpokladali, že fraktálny tvar mohol poskytnúť baktérii určitú evolučnú výhodu, nedokázali nájsť žiadny špecifický dôvod. Keď v laboratórnych podmienkach zmenili genetiku sinice tak, aby sa enzým neformoval do štruktúry fraktálu, baktériám to bolo jedno. „Zdá sa, že cyanobaktériám vôbec nezáleží na tom, či tam fraktály sú alebo nie,“ uviedla jedna z autoriek štúdie Franziska Sendkerová z Inštitútu Maxa Plancka.
Kľúčom k vzniku fraktálneho enzýmu bolo, že jeho zostavenie porušilo pravidlo symetrie. Rôzne proteínové reťazce majú mierne odlišné interakcie na rôznych pozíciách fraktálu. To bol základ pre vytvorenie Sierpinského trojuholníka s veľkými medzerami vnútri.
Zdroj: Max Planck, Wikipedia, Nespechej.cz, NewScientist
(JM)
