Fractais, estruturas nas quais cada subparte reproduz a forma geral, estão presentes na natureza, como nos flocos de neve ou nas folhas de samambaia. No entanto, fractais moleculares regulares, onde essa auto-similaridade é mantida em todas as escalas, nunca haviam sido observados até agora.
Crédito: MPI f. Terrestrial Microbiology/ Hochberg
Pesquisadores dos institutos Max Planck e da Universidade Philipps em Marburg descobriram uma enzima microbiana, a citrato sintase de uma cianobactéria, que se monta espontaneamente em um fractal regular chamado triângulo de Sierpiński. Este padrão é uma série de triângulos que se repetem infinitamente, com triângulos cada vez menores.
A enzima forma triângulos geométricos únicos durante sua montagem, um fenômeno observado acidentalmente por meio da microscopia eletrônica. Esta descoberta surpreendeu os pesquisadores pela sua raridade e complexidade inesperada.
Para entender como essa estrutura excepcional se formou, a equipe colaborou com um biólogo da universidade de Marburg para determinar a estrutura molecular da montagem. Seu estudo revelou que esta formação fractal resulta de uma violação da simetria usual dos conjuntos proteicos. Normalmente, as interações entre as proteínas são simétricas, levando a estruturas que se tornam uniformes em grande escala.
a - Representação esquemática das condições necessárias para produzir um fractal de Sierpiński a partir de blocos hexâmeros e das restrições baseadas na simetria sobre a assembleia oligomérica. Os pontos verdes e azuis representam, respectivamente, as interfaces ativas ou abertas.
b - Mapas de densidade Cryo-EM dos triângulos de Sierpiński dos níveis zero, um e dois.
O papel dessa estrutura fractal permanece incerto. Quando a equipe modificou geneticamente a bactéria para impedir a montagem fractal da citrato sintase, as células continuaram a se desenvolver normalmente. Isso sugere que a existência dessa estrutura pode ser um acidente evolutivo sem consequência notável para a bactéria.
Para explorar essa hipótese, os pesquisadores recriaram em laboratório o desenvolvimento evolutivo dessa estrutura proteica. Eles usaram métodos estatísticos para traçar a sequência proteica da enzima como ela era há milhões de anos. Os resultados mostram que esta disposição fractal surgiu subitamente após um pequeno número de mutações e desapareceu rapidamente em várias linhagens de cianobactérias, persistindo apenas nesta espécie específica.
Esta descoberta sublinha que estruturas biológicas complexas e aparentemente sem função podem emergir e persistir na natureza.