Araştırmacılar kendine benzerliğin büyüleyici matematiksel modelini izleyen bir protein buldular.
Uluslararası bir araştırma ekibi, doğada daha önce gözlemlenmemiş moleküler fraktallar keşfetti. Bir mikrobiyal enzim (siyanobakterinin sitrat sentazı) kendiliğinden Sierpinski üçgeni adı verilen düzenli bir fraktal desen oluşturur. Elektron mikroskobu ve evrimsel biyokimyasal çalışmalar bu fraktalın evrimsel bir tesadüf olabileceğini düşündürmektedir.
Bir mikrobiyal enzim (siyanobakterinin sitrat sentazı) kendiliğinden Sierpinski üçgeni adı verilen düzenli bir fraktal desen oluşturur.
Kar taneleri, eğrelti otu yaprakları, Romanesco karnabahar başları: Doğada sıklıkla tek tek bileşenleri bütüne benzeyen şekillerle karşılaşırsınız. Büyükten küçüğe doğru kendini tekrarlayan bu tür şekillere fraktal denir. Büyüklükler arasındaki ilişkinin neredeyse kesin olduğu düzenli fraktallar doğada çok nadirdir.
Moleküllerin de düzenlilikleri vardır. Ancak ona yalnızca çok uzaktan bakabilirseniz artık onu göremezsiniz. Gördüğünüz tek şey, kendi içinde bulanıklaşan maddedir. Görünür ince yapıların derecesi yalnızca büyütme derecesine bağlıdır. Moleküller her türlü güzel şekle bir araya gelebilir; Kendi kendine organize olan karmaşık moleküler yapılar iyi tanımlanmıştır. Ancak altında hiçbir zaman düzenli bir fraktal bulunamamıştır.
Marburg’daki Max Planck Enstitüsü ve Marburg Philipps Üniversitesi’nden grupların liderliğindeki uluslararası bir araştırma ekibi, ilk düzenli moleküler fraktalı keşfetti. Sierpinski üçgeni adı verilen düzenli bir fraktal düzende kendiliğinden birleşen, bir siyanobakteriden sitrat sentazı olan mikrobiyal bir enzim keşfettiler. Bu, daha küçük üçgenlerden oluşan, sonsuzca tekrarlanan bir üçgen dizisidir. Araştırmanın baş yazarı Franziska Sendker, “Bu yapıyla tamamen tesadüfen karşılaştık ve ona ilk kez elektron mikroskobu altında baktığımızda inanamadık” diyor ve şöyle devam ediyor: “Protein bu güzel üçgenleri oluşturuyor ve fraktal büyüdükçe, Ortada daha büyük üçgen boşluklar görmeye devam ediyoruz, bu da daha önce gördüğümüz hiçbir protein düzenlemesine benzemiyor” diye devam ediyor.
Bu olağanüstü istisnaya yol açan şey nedir? Bu enzimi diğerlerinden farklı kılan ve fraktal bir şekil oluşturmasını sağlayan şey nedir? Marburg Üniversitesi’ndeki yapısal biyokimyacılarla işbirliği yapan ekip, moleküler yapının bu fraktal geometriyi nasıl belirlediğini açıklamak için elektron mikroskobu kullanmayı başardı. Grubun yapı belirlemede yer aldığı Jan Schuller, “Bu, şu ana kadar çözdüğüm en zor ama aynı zamanda en büyüleyici yapılardan biriydi” diyor. “Sorun, klasik görüntü analizi algoritmalarımızın bunun için tasarlanmamış olmasıydı. Küçük üçgenlerin daha büyük üçgenlerin alt yapıları olabileceği gerçeği, bunların kafasını karıştırdı. Klasik algoritma, ait oldukları daha büyük yapıları görmek yerine bu küçük üçgenlere odaklandı.
Asimetri fraktal oluşumuna yol açar
Çoğu fraktal yapı, örneğin bulutlarda veya nehir deltalarında (yukarıda), rastgele süreçlerle ortaya çıkar ve kesin bir matematiksel formül izlemez. Daha küçük bir nehir yatağı, dallandığı daha büyük kanalın yapısına tam olarak karşılık gelmez. Eğrelti otları (sol altta) ve Romanesco karnabaharı ise normal fraktalların örnekleridir.
Şu anda mevcut olan yapıya dayanarak, bu proteinin bir fraktal halinde nasıl bir araya getirilebileceği açıklığa kavuştu. Normalde proteinlerin kendi kendine organizasyonu oldukça simetriktir: her bir protein zinciri, komşularıyla aynı düzenlemeyi benimser. Bu simetrik etkileşimler her zaman büyük ölçeklerde bulanıklaşan yapılara yol açar. Fraktal proteinin anahtarı, birleşiminin bu simetri kuralını ihlal etmesidir. Farklı protein zincirleri fraktalın farklı pozisyonlarında farklı etkileşimler oluşturur. Bu şekilde basit ve düzenli bir moleküler kafes yerine geniş iç boşluklara sahip Sierpinski üçgeni yaratılır.
Bu tuhaf düzenlemenin bir faydası var mı? “Kendi kendine toplanma ilkesi genellikle enzim aktivitesini düzenlemek için kullanılır, ancak bu durumda bu enzimin bulunduğu siyanobakteri, sitrat sentazının bir fraktal halinde birleşip birleşemeyeceğini umursamıyor gibi görünüyor. Ekip, sitrat sentazının fraktal üçgenlerde toplanmasını önlemek için bakteriyi genetik olarak manipüle ettiğinde, hücreler farklı koşullar altında da aynı şekilde büyüdü. Bu durum, bunun evrimin zararsız bir tesadüfü olup olmadığı sorusunu gündeme getirdi. Araştırmanın baş yazarlarından biri olan evrimsel biyolog Georg Hochberg, “Bu, deyim yerindeyse bir kaza, çünkü söz konusu yapının inşa edilmesi o kadar da zor değil” diyor.
Evrimi laboratuvarda tekrarlamak
Bu teoriyi test etmek için ekip, fraktal düzenlemenin evrimsel oluşumunu laboratuvar koşullarında yeniden yarattı. Evrimsel olarak eski bir siyanobakteride, fraktal düzenlemenin çok az sayıda mutasyon yoluyla oldukça aniden ortaya çıktığını ve ardından birkaç siyanobakteri soyunda hemen tekrar kaybolduğunu, dolayısıyla yalnızca tek bir bakteri türünde bozulmadan kalmış gibi göründüğünü göstermeyi başardılar. . “Geçmişte bir şeyin neden gerçekleştiğinden asla tam olarak emin olamayız. Ancak bu durumda aslında evrimsel bir tesadüfün tüm işaretlerini buluyoruz: görünüşte karmaşık bir biyolojik yapı, hiçbir iyi neden olmadan ortaya çıkmış, sadece evrimleşmesi çok kolay olduğu için” diyor Hochberg.
Moleküler fraktal gibi karmaşık görünen bir şeyin evrimde bu kadar kolay ortaya çıkabilmesi, birçok biyomolekülün daha önce keşfedilmemiş moleküler düzenlemelerinde çok daha fazla sürprizin ve güzelliğin saklı olabileceğini düşündürmektedir.