11 آوریل 2024- توسط انجمن ماکس پلانک-اعتبار: MPI f. میکروبیولوژی زمینی/ هوچبرگ
یک تیم بین‌المللی از محققان به رهبری گروه‌هایی از موسسه ماکس پلانک در ماربورگ و دانشگاه فیلیپس در ماربورگ به اولین فراکتال مولکولی منظم در طبیعت دست یافتند. آنها یک آنزیم میکروبی – سیترات سنتاز از یک سیانوباکتری – را کشف کردند که به طور خود به خود در الگویی به نام مثلث Sierpinski جمع می شود. میکروسکوپ الکترونی و مطالعات بیوشیمی تکاملی نشان می دهد که این فراکتال ممکن است یک حادثه تکاملی را نشان دهد.
این مطالعه در Nature منتشر شده است.
دانه های برف، برگ سرخس، سر گل کلم رومانسکو: بسیاری از ساختارهای طبیعت دارای نظم خاصی هستند. بخش های جداگانه آنها شبیه به شکل کل ساختار است. چنین اشکالی که از بزرگ‌ترین تا کوچک‌ترین شکل تکرار می‌شوند، فراکتال نامیده می‌شوند. اما فراکتال‌های منظم که تقریباً دقیقاً در مقیاس‌ها مطابقت دارند، مانند مثال‌های بالا، در طبیعت بسیار نادر هستند.
مولکول ها نیز نظم خاصی دارند. اما اگر از فاصله دور به آنها نگاه کنید، دیگر هیچ نشانه ای از این را نمی بینید. سپس ماده صافی را می بینید که ویژگی های آن دیگر با مولکول های منفرد مطابقت ندارد. درجه ساختار ظریفی که ما می بینیم به بزرگنمایی ما بستگی دارد – بر خلاف فراکتال ها، جایی که شباهت خود در همه مقیاس ها ادامه دارد. در واقع، فراکتال‌های منظم در سطح مولکولی کاملاً ناشناخته هستند.
این تا حدودی تعجب آور است. از این گذشته، مولکول‌ها می‌توانند خود را به انواع شکل‌های شگفت‌انگیز جمع کنند. دانشمندان کاتالوگ های گسترده ای از ساختارهای مولکولی پیچیده خودآرایی دارند. با این حال، هرگز یک فراکتال منظم در میان آنها وجود نداشته است. معلوم می‌شود که تقریباً تمام خودآرایی‌هایی که ظاهری منظم دارند، منجر به نوعی نظم می‌شوند که در مقیاس‌های بزرگ صاف می‌شوند.
یک تیم بین المللی از محققان به رهبری گروه هایی از موسسه ماکس پلانک در ماربورگ و دانشگاه فیلیپس در ماربورگ اکنون اولین فراکتال مولکولی منظم را در طبیعت کشف کرده اند. آنها یک آنزیم میکروبی – سیترات سنتاز از یک سیانوباکتری – را کشف کردند که به طور خود به خود در یک الگوی فراکتالی منظم به نام مثلث Sierpiński جمع می شود. این یک سری مثلث بی نهایت تکراری است که از مثلث های کوچکتر تشکیل شده است.
فرانزیسکا سندکر، نویسنده اول، می‌گوید: «ما کاملاً به‌طور تصادفی به این ساختار برخورد کردیم و وقتی برای اولین بار با میکروسکوپ الکترونی از آن عکس گرفتیم، تقریباً نمی‌توانستیم آنچه را دیدیم، باور کنیم.
او ادامه می‌دهد: “پروتئین این مثلث‌های زیبا را می‌سازد و با رشد فراکتال، ما این حفره‌های مثلثی بزرگ‌تر و بزرگ‌تر را در وسط آنها می‌بینیم که کاملاً شبیه هیچ مجموعه پروتئینی است که قبلاً دیده‌ایم.”
چگونه این استثنا غیرعادی پدیدار شد؟ چه چیزی این آنزیم را از همه آنزیم های دیگر متمایز می کند و باعث می شود شکل فراکتال به وجود بیاید؟ تیم با همکاری زیست‌شناس ساختاری در دانشگاه ماربورگ، سرانجام موفق شد ساختار مولکولی این مجموعه را با استفاده از میکروسکوپ الکترونی تعیین کند، که چگونگی دستیابی به هندسه فراکتالی آن را روشن می‌کند.
یان شولر، که گروهش به تعیین ساختار کمک کرد، می‌گوید: «این یکی از ساختارهای سخت‌تر و در عین حال جذاب‌تری بود که در حرفه‌ام حل کرده‌ام.مشکل در تعیین ساختار یک فراکتال این است که تکنیک‌های میانگین‌گیری تصویر ما با این واقعیت که مثلث‌های کوچکتر می‌توانند بخشی از زیرساخت مثلث‌های بزرگ‌تر باشند، سردرگم می‌شدند.
بسیاری از ساختارهای فراکتالی، به عنوان مثال در ابرها یا دلتاهای رودخانه (در بالا) توسط فرآیندهای تصادفی ایجاد می شوند و از یک فرمول ریاضی دقیق پیروی نمی کنند. بستر رودخانه کوچکتر دقیقاً با ساختار کانال بزرگتری که از آن منشعب می شود مطابقت ندارد. سرخس (پایین سمت چپ) و گل کلم رومانسکو، از طرف دیگر، نمونه هایی از فراکتال های معمولی هستند.
عدم تقارن منجر به تشکیل فراکتال می شود
با ساختاری که در دست بود، مشخص شد که دقیقاً چگونه این پروتئین می‌تواند در یک فراکتال جمع شود: به طور معمول، زمانی که پروتئین‌ها به خودی خود جمع می‌شوند، الگوی بسیار متقارن است: هر زنجیره پروتئینی منفرد نسبت به همسایگان خود آرایش یکسانی دارد. چنین فعل و انفعالات متقارن همیشه منجر به الگوهایی می شود که در مقیاس های بزرگ صاف می شوند.
کلید پروتئین فراکتال این بود که مونتاژ آن این قانون تقارن را نقض می کرد. زنجیره‌های پروتئینی مختلف برهمکنش‌های کمی متفاوت در موقعیت‌های مختلف در فراکتال ایجاد کردند. این مبنایی برای تشکیل مثلث Sierpiński، با حفره های داخلی بزرگ آن، به جای شبکه منظمی از مولکول ها بود.
آیا این مجموعه عجیب و غریب کار مفیدی انجام می دهد؟ گئورگ هوچبرگ، یکی از نویسندگان ارشد این مطالعه زیست شناس تکاملی می گوید: «خودآرایی اغلب توسط تکامل برای تنظیم آنزیم ها استفاده می شود، اما در این مورد به نظر می رسد سیانوباکتری که این آنزیم در آن یافت می شود چندان اهمیتی ندارد که آیا سیترات سنتاز آن می تواند در یک فراکتال جمع شود یا نه».
هنگامی که این تیم به طور ژنتیکی باکتری را دستکاری کردند تا از تجمع سیترات سنتاز آن در مثلث های فراکتال جلوگیری کنند، سلول ها در شرایط مختلف به همان خوبی رشد کردند. “این ما را برانگیخت تا به این فکر کنیم که آیا این ممکن است فقط یک تصادف بی ضرر از تکامل باشد. چنین حوادثی ممکن است زمانی اتفاق بیفتند که ساخت سازه مورد نظر چندان دشوار نباشد.”
بازپخش تکامل در آزمایشگاه
این تیم برای آزمایش نظریه خود، توسعه تکاملی آرایش فراکتال را در آزمایشگاه بازسازی کردند. برای انجام این کار، آنها از یک روش آماری برای محاسبه مجدد توالی پروتئین پروتئین فراکتال مانند میلیون ها سال پیش استفاده کردند.
با تولید بیوشیمیایی این پروتئین‌های باستانی، آنها توانستند نشان دهند که این آرایش به‌طور ناگهانی و از طریق تعداد بسیار کمی جهش ایجاد شد و سپس بلافاصله دوباره در چندین دودمان سیانوباکتری از بین رفت، به طوری که تنها در این گونه باکتری دست‌نخورده باقی ماند.
اگرچه ما هرگز نمی‌توانیم از دلایل وقوع اتفاقات در گذشته کاملاً مطمئن باشیم، اما این مورد خاص تمام نشانه‌های یک ساختار بیولوژیکی به ظاهر پیچیده را دارد که بدون هیچ دلیل موجهی به وجود آمده است، زیرا به سادگی بسیار آسان است. هوچبرگ می گوید تکامل یابد.
این واقعیت که چیزی بسیار پیچیده مانند یک فراکتال مولکولی می تواند به راحتی در تکامل ظاهر شود، نشان می دهد که شگفتی های بیشتر و زیبایی زیادی ممکن است هنوز در مجموعه های مولکولی کشف نشده بسیاری از زیست مولکول ها پنهان باشد.
