Фермент образует комплексы с фрактальной геометрией.
Исследователи идентифицировали фермент, который может собираться в комплексы с фрактальной геометрией. Фракталы — иерархические структуры, в которых структурные особенности в более крупных масштабах повторяются в меньших масштабах — хорошо известны на макроскопическом уровне, но ранее не наблюдалось спонтанного образования из биологических молекул на молекулярном уровне в клетках или in vitro.
Теперь Джордж К. а. Хохберг из Института наземной микробиологии Макса Планка и Марбургского университета Филипс, Ян М. Шуллер из Марбургского университета Филипс и его коллеги обнаружили, что фермент цитратсинтаза, экстрагированный из цианобактерий Стафилококк длинный Комплексы формируются во фрактальной схеме, называемой треугольником Серпинского (природа 2024 г., цифровой идентификатор: 10.1038/s41586-024-07287-2). Треугольники Серпинского состоят из маленьких равносторонних треугольников, вложенных в более крупные равносторонние треугольники.
Мотивационная форма С. прямоугольник Цитратсинтаза представляет собой гексадекан. Эти гексамеры могут собираться в треугольники Серпинского с 18 или 54 копиями белка (3 или 9 гексамеров). Чтобы сформировать фракталы, фермент вращается в направлении, противоположном тому, как он вращается при связывании субстрата во время катализа. Фракталы «исправляют что-то, что затрудняет стимуляцию», — говорит Хохберг.
Фермент образует эти более крупные структуры только ночью, когда pH цианобактерий примерно нейтральный. «Возможно, эта штука была безобидным несчастным случаем, потому что она создает эту сумасшедшую структуру только в то время суток, когда вам все равно не нужен фермент», — говорит Хохберг. 18-мер образуется в таких низких концентрациях, что Хохберг убежден, что он встречается в клетках. Он считает, что 54-мер мог образоваться не физиологически.
Исследователи использовали реконструкцию предкового белка, чтобы изучить, как фермент развил свою способность образовывать фракталы. Глутаминовая кислота и гистидин, необходимые для образования фракталов, присутствовали в предковых белках, не образующих фракталы. Замена глутамина лейцином устранила взаимодействие, которое препятствовало образованию фракталов. Это изменение побудило их объединиться.
«Это странно с эволюционной точки зрения», — говорит Хохберг. «Это означает, что все положительные связи, которые склеивают эту вещь воедино, уже были здесь».
«Это прекрасный пример того, как превратности эволюции могут привести к формированию структур, которых в противном случае было бы трудно достичь с помощью дизайна белков, поскольку как межфазные контакты, стерические столкновения, так и угловая гибкость должны быть запрограммированы в иерархию нековалентных структур. Взаимодействия», — написал Франсуа Паникс, который разработал материалы, содержащие белок, в Вашингтонском университете. Он сказал в электронном письме: «Отдельный строительный блок подвергается воздействию, когда он собирается во фрактал».
По словам Хохберга, устранение способности фермента образовывать фракталы не оказало заметного влияния на клетки. «Так легко создать эти вещи для эволюции за один мутационный этап, что нам, по сути, следует ожидать, что иногда это произойдет случайно», — говорит он. Если кто-то обнаружит подобную странную сборку в другом организме, он может задуматься, не является ли это просто безобидным несчастным случаем, говорит Хохберг.