Se trata de una enzima microbiana que se autoensambla espontáneamente en un patrón conocido como el triángulo de Sierpinski, una forma que consiste en una serie infinita de triángulos formados por otros triángulos más pequeños.

Una representación de la estructura fractal de la citrato sintasa. Crédito: Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre/Hochberg.

Los copos de nieve, las hojas de helecho y los brócolis romanesco son solo algunos ejemplos de las estructuras naturales que exhiben cierta regularidad. Sus partes individuales se asemejan a la forma de la estructura completa. Estas formas, que se repiten desde la escala más grande hasta la más pequeña, se denominan fractales. Sin embargo, los fractales regulares que se repiten casi exactamente en todas las escalas —como en los casos mencionados— son muy raros en la naturaleza.

Las moléculas también poseen cierta regularidad. Pero a grandes distancias, esta regularidad se pierde y observamos materia lisa cuyas características ya no se corresponden con las de las moléculas individuales. El grado de detalle que vemos depende del aumento, a diferencia de los fractales, donde la autosimilitud persiste en todas las escalas. De hecho, los fractales regulares a nivel molecular eran completamente desconocidos.

Ahora, un equipo internacional de investigadores dirigido por grupos del Instituto Max Planck en Marburgo y la Universidad Phillips en Marburgo ha descubierto el primer fractal molecular regular en la naturaleza.

Muchos patrones fractales, como en las nubes o los deltas de los ríos (arriba), donde canales grandes se ramifican en canales más pequeños y estos en canales aún más pequeños, son creados por procesos aleatorios y no siguen una fórmula matemática exacta; un cauce de río más pequeño no corresponde exactamente a la estructura del canal más grande del que se ramifica. Los helechos (abajo a la izquierda) y la coliflor romanesco, por otro lado, son ejemplos de fractales regulares. Hasta ahora, no se conocía ningún fractal regular del mundo de las moléculas naturales. Crédito: Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre/Hochberg.

Los científicos identificaron una enzima microbiana, la citrato sintasa de un cianobacterio, que se ensambla espontáneamente en un patrón fractal regular conocido como el triángulo de Sierpinski —una serie infinita de triángulos formados por triángulos más pequeños—.

«Nos encontramos con esta estructura completamente por accidente y casi no podíamos creer lo que veíamos cuando tomamos las primeras imágenes con un microscopio electrónico», dijo la Dra. Franziska Sendker, autora principal del estudio publicado en Nature. «La proteína forma estos hermosos triángulos, y a medida que el fractal crece, vemos huecos triangulares cada vez más grandes en el centro de ellos, lo que es completamente diferente a cualquier ensamblaje de proteínas que hayamos visto antes».

Geometría fractal

En colaboración con un biólogo estructural de la Universidad de Marburgo, el equipo logró determinar la estructura molecular de este ensamblaje utilizando microscopía electrónica, lo que iluminó cómo logra su geometría fractal.

«Esta fue una de las estructuras más difíciles, pero también más fascinantes que he resuelto en mi carrera», reconoció Jan Schuller, cuyo grupo ayudó a determinar la estructura. «El problema al determinar la estructura de un fractal es que nuestras técnicas de promedio de imágenes se confundieron porque los triángulos más pequeños pueden ser subestructuras de triángulos más grandes. El algoritmo se centró en estos triángulos más pequeños en lugar de ver las estructuras más grandes de las que formaban parte».

Imágenes de microscopía electrónica de la molécula a diferentes niveles. Crédito: Sendker et al., Nature, 2024.

Con la estructura a la vista, quedó claro cómo esta proteína logra ensamblarse en un fractal.

Normalmente, cuando las proteínas se autoensamblan, el patrón es altamente simétrico: cada cadena de proteína individual adopta la misma disposición relativa a sus vecinas. Dichas interacciones simétricas siempre conducen a patrones que se suavizan a grandes escalas. La clave para la proteína fractal fue que su ensamblaje violó esta regla de simetría. Diferentes cadenas de proteína hicieron interacciones ligeramente diferentes en diferentes posiciones del fractal. Esta fue la base para formar el triángulo de Sierpinski, con sus grandes huecos internos, en lugar de una estructura regular de moléculas.

Para responder a la cuestión si este extraño ensamblaje tiene alguna función útil, el equipo manipuló genéticamente al cianobacterio para evitar que su citrato sintasa se ensamblara en triángulos fractales, pero las células crecieron igual de bien bajo diversas condiciones.

«El autoensamblaje a menudo es utilizado por la evolución para regular las enzimas, pero en este caso, el cianobacterio donde se encuentra esta enzima no parece importar si su citrato sintasa puede ensamblarse en fractales», explicó el biólogo evolutivo Georg Hochberg, otro de los autores principales del estudio. «Esto nos llevó a preguntarnos si podría ser simplemente un accidente inofensivo de la evolución. Tales accidentes pueden ocurrir cuando la estructura en cuestión no es demasiado difícil de construir».

Recreando la evolución en el laboratorio

Para probar su teoría, el equipo recreó el desarrollo evolutivo de la disposición fractal en el laboratorio. Al hacerlo, utilizó un método estadístico para calcular hacia atrás la secuencia de la proteína fractal como era hace millones de años. Luego, al producir estas proteínas antiguas bioquímicamente, los investigadores pudieron demostrar que la disposición surgió bastante repentinamente a través de un pequeño número de mutaciones y luego se perdió de inmediato en varias líneas de cianobacterias, por lo que solo permaneció intacta en esta única especie bacteriana.

«Aunque nunca podemos estar totalmente seguros de las razones por las que sucedieron las cosas en el pasado, este caso particular tiene todas las características de una estructura biológica compleja que simplemente surgió sin ninguna razón aparente porque era muy fácil de evolucionar», señaló Hochberg.

El hecho de que algo tan complejo como un fractal molecular pudiera surgir tan fácilmente en la evolución sugiere que aún podrían encontrarse más sorpresas y mucha belleza geométrica escondida en los ensambles moleculares no descubiertos de muchas biomoléculas.

Fuente: MPI. Edición: MP.

Hallan una molécula fractal en la naturaleza por primera vez