A primeira molécula fractal da natureza se forma em um triângulo de Sierpinski e não sabemos por quê: WebCuriosos

Dos braços espirais das galáxias aos cristais de neve microscópicos, a natureza parece cair em padrões fractais que se repetem em incrementos cada vez menores. Não importa o quão pequeno você seja, partes do padrão ainda se parecem com o todo.

Uma exceção parece ser as moléculas, que não são conhecidas por exibirem auto-similaridade em escalas variáveis. Isto é, até agora.

Pesquisadores da Alemanha, Suécia e Reino Unido descobriram uma enzima produzida por um organismo unicelular que pode se organizar em um fractal – não apenas um fractal qualquer, mas um padrão repetitivo de triângulos conhecido como Triângulo de Sierpiński.

A enzima é uma forma de citrato sintase produzida pela cianobactéria Synechococcus alongatuse sua evolução a partir de precursores não fractais sugere que tais padrões moleculares podem surgir com uma rapidez surpreendente.

“Nós tropeçamos nesta estrutura completamente por acidente e quase não pudemos acreditar no que vimos quando tiramos imagens dela pela primeira vez usando um microscópio eletrônico”, disse ele. diz a bioquímica Franziska Sendker do Instituto Max Planck de Microbiologia Terrestre na Alemanha.

“A proteína forma esses lindos triângulos e, à medida que o fractal cresce, vemos esses vazios triangulares cada vez maiores no meio deles, o que é totalmente diferente de qualquer conjunto de proteínas que já vimos antes”.

Há uma razão para isso, descobriram os pesquisadores. Eles usaram microscopia eletrônica para estudar a estrutura da molécula em nível atômico, examinando como as cadeias de proteínas estão ligadas.

A maioria das moléculas possui estrutura altamente simétricacom cada cadeia de proteína caindo no mesmo arranjo e relação com as cadeias de proteína ao seu redor. Esta estrutura particular da citrato sintase consegue quebrar essa regra: as cadeias proteicas ligam-se de formas ligeiramente diferentes, dependendo da sua posição na molécula.

O resultado é o arranjo de Sierpiński e, curiosamente, a pesquisa da equipe descobriu que parece ter sido um acidente completo, sem qualquer função. Quando a equipe manipulou geneticamente S. elongatus para produzir citrato sintase não fractal, não fez nenhuma diferença para a bactéria.

“A automontagem é frequentemente usada pela evolução para regular enzimas, mas neste caso a cianobactéria em que esta enzima é encontrada não parece se importar muito se sua citrato sintase pode ou não se agrupar em um fractal”, diz o biólogo evolucionista Georg Hochberg do Instituto Max Planck de Microbiologia Terrestre.

“Isto levou-nos a questionar se isto poderia ser apenas um acidente inofensivo da evolução. Tais acidentes podem acontecer quando a estrutura em questão não é muito difícil de construir.”

E parece que um padrão fractal não é algo muito difícil de ser alcançado por uma molécula. Os pesquisadores exploraram a história evolutiva usando a reconstrução da sequência ancestral para determinar os precursores da molécula de citrato sintase como ela aparece hoje, e as substituições de aminoácidos que poderiam ter alterado sua estrutura ao longo do tempo.

Acontece que é necessário apenas um número muito pequeno de mutações para alterar a forma da molécula, com uma rapidez surpreendente. Mas o fácil é fácil – pode desaparecer novamente com a mesma rapidez. Na verdade, a investigação da equipa sugere que moléculas fractais surgiram e desapareceram em diferentes espécies de cianobactérias várias vezes no passado.

Acontece que, se uma estrutura fractal não for biologicamente útil, não há razão para o organismo retê-la, e assim por diante. Para S. elongatusé possível que a molécula de Sierpiński seja apenas temporária. Ou talvez na natureza haja algum benefício que não foi observado em laboratório.

“Suspeitamos que as transições evolutivas na automontagem podem ser mais comuns do que os bancos de dados estruturais fazem parecer”, os pesquisadores escrevem em seu artigo.

“Talvez apenas uma pequena fração se torne importante para seus organismos e persista. Muitos outros desaparecerão tão rapidamente quanto apareceram. Podemos, portanto, apenas nos perguntar quantos conjuntos únicos evoluíram ao longo das eras e que nunca chegaram ao presente para que pudéssemos observar.”

As descobertas foram publicadas em Natureza.