研究人員首次在自然界分子尺度上發現分形

近日，一項發表于《自然》的研究報道了細長聚球藻這種藍細菌產生的一種酶——檸檬酸合酶，可以自我組裝形成謝爾賓斯基三角形。這是一種在較小尺度上重復的數學分形。

分形簡單來講就是一個幾何形狀，它可以分成數個部分，分出來的每一部分與這個幾何形狀整體縮小后的形狀近似，即具有自相似性。宏觀尺度的分形在自然界中普遍存在，如寶塔菜花或蕨類植物的葉片。但迄今，人們從未在分子尺度上識別出規則的分形。

檸檬酸合酶是大多數生物體內三羧酸循環的一部分。而三羧酸循環是一系列產生能量的化學反應，是需氧生物體內普遍存在的代謝途徑。

德國馬克斯·普朗克陸地微生物研究所的Georg Hochberg和同事發現，細長聚球藻產生的檸檬酸合酶以一種不同尋常的構形存在，即謝爾賓斯基三角形，它由很多個形狀一樣的三角形組成。

檸檬酸合酶由一個單體組成，可以組裝成不同的形狀。Hochberg團隊通過電子顯微鏡發現，在細長聚球藻中，檸檬酸合酶可以組裝成包含6個單體的三角形，它可以與另外兩個6單體組成的三角形結合，形成包含18個單體的三角形，這個三角形還可以與另外兩個與其相同的三角形結合，形成包含54個單體的三角形，最終形成了類似謝爾賓斯基三角形的形狀。

通過將分形酶的基因序列與其他菌進行比較，研究人員追溯了其進化史，發現它最終只存在于細長聚球藻這一種藍細菌中。他們雖然懷疑檸檬酸合酶自組裝成分形可能細長聚球藻給帶來了一些進化優勢，但在實驗中，去除這種酶不會出現任何明顯的效果。“細長聚球藻似乎并不在乎它是否存在。”研究團隊成員Franziska Sendker說。

“也許自然界中可能有更多這種復雜分形形狀，只是因為人們還沒有真正尋找過它們。”英國牛津大學的Ard Louis說，“分形很簡單，它們應該相對容易進化出來。即使不具有適應性，它們也很可能廣泛存在于蛋白質復合物中。”

德國達姆施塔特工業大學的Nico Bruns認為，可以嘗試將其組合成三維形狀，作為一個具有明確內部和外部邊緣的納米尺寸容器，設計出蛋白質籠或膠囊，可以用來封裝和釋放其他分子。