Pela primeira vez na natureza, uma estrutura fractal microscópica foi descoberta

Fractais, aquelas intrigantes e hipnotizantes estruturas geométricas, tornam os elementos naturais que os possuem quase hipnóticos. No entanto, eles podem ser ainda mais hipnóticos em algo tão pequeno quanto uma molécula ou enzima. Foi o que os pesquisadores descobriram pela primeira vez. Eles compartilharam os detalhes em uma publicação recente na revista Nature.

Fractais são estruturas que se repetem em diferentes escalas para formar uma estrutura coesa. Se você olhar para um fractal de uma distância próxima ou distante, você pode ver como os mesmos padrões se repetem. Em outras palavras, uma pequena parte da estrutura observada é semelhante a toda a estrutura. Na natureza, em escalas macroscópicas, muitas vezes encontramos essa estrutura geométrica altamente detalhada em um nível matemático. Folhas de samambaia e repolho romanesco são exemplos comuns.

Exemplos de padrões fractais naturais. À esquerda está uma folha de samambaia. À direita está o repolho Romanesco.

No nível microscópico, no entanto, padrões fractais nunca foram observados antes. Além disso, as chamadas "regulares", em que as estruturas se repetem quase exatamente em todas as escalas, são muito complexas do ponto de vista geométrico. Recentemente, pesquisadores do Instituto Max Planck em Marburg e da Universidade Phillips Marburg descobriram acidentalmente uma estrutura fractal associada à citrato sintase (CS). É uma enzima microbiana responsável pelo metabolismo celular das cianobactérias Synechococcus elongatus, bactérias fotossintéticas que vivem tanto na água quanto na terra.

Auto-montagem de triângulos de Sierpinski

Os pesquisadores explicam que a enzima, cuja forma exata eles foram capazes de detectar, forma espontaneamente triângulos de Sierpinski. É um objeto fractal consistindo de um triângulo básico consistindo de triângulos Sierpinski menores, cada um dos quais se divide em variantes ainda menores, e assim por diante.

De acordo com os cientistas, à medida que a estrutura fractal se desenvolve, os vazios triangulares tornam-se cada vez maiores. Eles afirmam que nunca viram tal conjunto de proteínas antes. A montagem das proteínas tende a ser muito simétrica, pois a cadeia proteica copia a posição de seus vizinhos. No caso da enzima estudada, a montagem apresenta assimetria, que é a base da estrutura fractal.

"A proteína forma triângulos magníficos e, à medida que o fractal cresce, vemos vazios triangulares cada vez maiores no centro desses triângulos, o que é completamente diferente de qualquer conjunto de proteínas que já vimos antes", diz Franziska Sendker, membro da equipe de pesquisa, em um comunicado à imprensa.

Desenvolvimento Histórico da Enzima Fractal

Após essa descoberta, os pesquisadores realizaram um experimento para entender como e por que a estrutura fractal da enzima surgiu ao longo da evolução. Em particular, eles tentaram rastrear seu desenvolvimento para determinar se era o resultado do acaso evolutivo. Para fazer isso, eles realizaram cálculos para determinar a sequência da proteína fractal como era milhões de anos atrás. O objetivo era reproduzir proteínas bioquimicamente.

Os resultados do experimento sugerem que a estrutura fractal apareceu repentinamente no curso da evolução, após um número muito pequeno de mutações. Portanto, seu desenvolvimento não exigiu uma longa série de mudanças. Após seu aparecimento, a estrutura desapareceu em outros gêneros de cianobactérias, sobrevivendo apenas em uma determinada espécie. Segundo os pesquisadores, essa estrutura poderia ter surgido sem uma causa evolutiva real.