Een enzym in cyanobacteriën kan de ongebruikelijke vorm aannemen van een driehoek met steeds kleinere driehoekige openingen. Het is het eerste voorbeeld van een fractalpatroon dat op moleculaire schaal in de natuur is aangetroffen.

Microbiologen hebben een enzym ontdekt met een fractalstructuur, een wiskundig patroon dat zich op kleinere schaal herhaalt. Het enzym, dat wordt aangemaakt door een bepaalde cyanobacterie, is door zijn piepkleine formaat een tot dusver unieke vondst van een fractal in het wild.

Fractalpatronen komen in de natuur volop voor op grotere schalen, zoals bij romanescobroccoli of bij varenplanten. Tot nu toe waren ze echter nog nooit gezien op de moleculaire schaal.

Tijd 'vertraagt' bij het zien van iets gedenkwaardigs
LEES OOK

Tijd 'vertraagt' bij het zien van iets gedenkwaardigs

Tijdens het kijken naar een opvallende afbeelding lijkt de tijd langzamer te gaan, ontdekten Amerikaanse hersenwetenschappers.

Vormpje in vormpje in vormpje…

Biochemicus Georg Hochberg van het Max Planck-instituut voor Terrestrische Microbiologie in Duitsland ontdekte samen met zijn collega’s een enzym met een moleculaire fractalstructuur in de cyanobacterie Synechococcus elongatus. Het enzym, citraatsynthase, komt in een groot aantal organismen voor. Het is onderdeel van de krebscyclus, een serie chemische reacties die energie maken. In S. elongatus kan het enzym de ongebruikelijke vorm aannemen van een driehoek met steeds kleinere driehoekige openingen. Dit patroon is bekend als de driehoek van Sierpiński.

Elektronenmicroscoopafbeelding van de driehoekige fractalstructuur. Beeld: Franziska L. Sendker.

Citraatsynthase bestaat uit een enkele bouwsteen, een zogeheten monomeer, waarmee verschillende vormen in elkaar gezet kunnen worden. Sommige van die vormen helpen bij het afbreken van moleculen in de krebscyclus.

Met behulp van een elektronenmicroscoop ontdekten Hochberg en zijn team dat de monomeren in S. elongatus zich kunnen samenvoegen tot een driehoekige vorm met zes monomeren. Zelf kunnen die weer met twee andere monomeren combineren tot een 18 monomeer-tellende vorm. Deze kan dan weer combineren met twee anderen om een 54 monomeer-tellende vorm te vormen. Ook die is driehoekig en lijkt op een driehoek van Sierpiński.

Onduidelijke functie

Het team achterhaalde ook de evolutionaire geschiedenis van het fractale enzym, door het te vergelijken met de genetische code van andere bacteriën. ‘Het fractale enzym is heel plotseling ontstaan en vrijwel onmiddellijk weer verloren gegaan in verschillende versies van bacteriën. Het bleef alleen bestaan in deze ene cyanobacterie. Dat maakt onze ontdekking bijna nog bizarder, omdat de kans dat we het zouden vinden praktisch nihil was’, zegt Hochberg.

Hoewel de onderzoekers vermoeden dat de fractale vorm de bacterie een evolutionair voordeel geeft, ontdekten ze geen duidelijk effect toen ze het enzym in laboratoriumexperimenten verwijderden. ‘Het lijkt de cyanobacterie helemaal niets uit te maken of het fractale enzym er wel of niet is’, zegt teamlid en biochemicus Franziska Sendker, ook verbonden aan het Max Planck-instituut voor Terrestrische Microbiologie.

‘Misschien bestaan er wel meer van deze complexe, fractalachtige vormen in de natuur, maar zijn ze niet ontdekt omdat mensen er nog niet naar hebben gezocht’, zegt natuurkundige Ard Louis van de Universiteit van Oxford. ‘Fractals zouden relatief eenvoudig moeten ontstaan door evolutie. Zelfs als ze niet aanpasbaar zijn, kunnen ze heel goed voorkomen in een breder scala aan eiwitcomplexen.’

Knutselen met fractals

Het zou interessant zijn om te onderzoeken of de tweedimensionale driehoekige structuren samen driedimensionale vormen zoals een tetraëder kunnen maken, zegt chemicus Nico Bruns van de Technische Universiteit van Darmstadt in Duitsland. ‘Zo zou je een ‘bakje’ op nanoformaat kunnen maken. Dan bevind je je op het terrein van eiwitkooien en capsules, die je kunt gebruiken om interessante moleculen op te bergen en vrij te geven op de beoogde plek.’