由马尔堡马克斯·普朗克研究所和马尔堡菲利普斯大学领导的国际研究小组偶然发现了自然界中第一个规则分子分形。他们发现了一种微生物酶——来自蓝藻的柠檬酸合酶——它会自发地组装成一种称为谢尔宾斯基三角形的模式。电子显微镜和进化生物化学研究表明，这种分形可能代表了进化事故。

雪花、蕨叶、罗马菜花头：自然界的许多结构都有一定的规律性。它们的各个部分类似于整个结构的形状。这种从最大到最小重复的形状称为分形。但是，如上面的示例所示，在尺度上几乎完全匹配的规则分形在自然界中非常罕见。

分子也有一定的规律性。但如果你从很远的地方看它们，你就看不到任何迹象了。然后你会看到光滑物质，其特征不再与单个分子的特征相匹配。我们看到的精细结构的程度取决于我们的放大倍数——与分形相反，分形在所有尺度上都存在自相似性。事实上，分子水平上的规则分形在自然界中是完全未知的。

这有点令人惊讶。毕竟，分子可以自行组装成各种奇妙的形状。科学家拥有大量的自组装复杂分子结构目录。然而，它们之间从来不存在正则分形。事实证明，几乎所有看起来规则的自组装都会导致在大尺度上变得平滑的规则性。

由马尔堡马克斯·普朗克研究所和马尔堡菲利普斯大学领导的国际研究小组现在发现了自然界中第一个规则分子分形。他们发现了一种微生物酶——来自蓝细菌的柠檬酸合酶——它会自发地组装成一种规则的分形图案，称为谢尔宾斯基三角形。这是由更小的三角形组成的无限重复的三角形系列。

第一作者FranziskaSendker说：“我们完全是偶然发现了这个结构，当我们第一次使用电子显微镜拍摄它的图像时，几乎不敢相信我们所看到的东西。”

“蛋白质形成了这些美丽的三角形，随着分形的增长，我们在它们中间看到了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，”她继续说道。

这种不寻常的异常是如何出现的呢?是什么使这种酶与其他酶区分开来，使其形成分形形状?该团队与马尔堡大学的结构生物学家合作，最终成功地使用电子显微镜确定了该组装体的分子结构，这阐明了它是如何实现分形几何的。

“这是我在职业生涯中解决过的更难但也更迷人的结构之一，”扬·舒勒(JanSchuller)说，他的团队帮助确定了该结构。

“确定分形结构的问题在于，较小的三角形可能是较大三角形的子结构，这一事实使我们的图像平均技术不断感到困惑。该算法不断关注这些较小的三角形，而不是看到它们本身的较大结构。一部分，”他解释道。

许多分形结构，例如云或河流三角洲(上图)中的分形结构，都是由随机过程创建的，并不遵循精确的数学公式;较小的河床与其分支的较大河道的结构并不完全对应。另一方面，蕨类植物(左下)和罗马花椰菜是规则分形的例子。图片来源：MPIf.陆地微生物学/霍赫伯格

不对称导致分形形成

有了现有的结构，这种蛋白质如何准确地组装成分形就变得很清楚了：通常，当蛋白质自组装时，该模式是高度对称的：每个单独的蛋白质链相对于其邻居都采用相同的排列。这种对称的相互作用总是会导致图案在大范围内变得平滑。

分形蛋白的关键在于它的组装违反了这一对称规则。不同的蛋白质链在分形的不同位置产生略有不同的相互作用。这是形成谢尔宾斯基三角形的基础，该三角形具有巨大的内部空隙，而不是规则的分子晶格。

这种奇怪的组装有什么用处吗?“进化经常利用自组装来调节酶，但在这种情况下，发现这种酶的蓝细菌似乎不太关心它的柠檬酸合酶是否可以组装成分形，”进化生物学家GeorgHochberg说，该研究的资深作者之一。

当研究小组对细菌进行基因操纵以阻止其柠檬酸合酶组装成分形三角形时，细胞在各种条件下都生长良好。“这促使我们想知道这是否可能只是一次无害的进化事故。当所涉及的结构不太难建造时，这种事故就可能发生。”

在实验室中重演进化

为了检验他们的理论，研究小组在实验室中重现了分形排列的进化发展。为此，他们使用统计方法反算了数百万年前的分形蛋白的蛋白质序列。

然后通过生物化学方法生产这些古老的蛋白质，他们能够证明这种排列通过极少数的突变突然出现，然后在几个蓝藻谱系中立即再次丢失，因此它只在单一细菌物种中保持完整。

“虽然我们永远无法完全确定过去发生的事情的原因，但这个特殊案例确实具有看似复杂的生物结构的所有特征，这种结构毫无充分理由地突然出现，因为它很容易被进化，”霍赫伯格说。

事实上，像分子分形这样看起来如此复杂的东西在进化中很容易出现，这表明更多的惊喜和美丽可能仍然隐藏在迄今为止尚未发现的许多生物分子的分子组合中。

版权说明：本站所有作品图文均由用户自行上传分享，仅供网友学习交流。若您的权利被侵害，请联系我们

标签：