Tijdens het uitvoeren van een onderzoek waarbij cyanobacteriën werden gebruikt, ontdekten analisten pardoes een fractaal molecuul. Dat is heel bijzonder; nog nooit eerder zijn dit soort fractale moleculen ‘in het wild’ gespot.
Het fractaal molecuul heeft de vorm van de driehoek van Sierpiński, welke bestaat uit kleinere driehoekjes die samen een grotere driehoek vormen. Wetenschapper Franziska Sendker was onderdeel van het team dat de toevallige ontdekking heeft gedaan. Ze laat weten: “we hebben deze structuur echt totaal per ongeluk ontdekt. We konden onze ogen dan ook niet geloven toen we de eerste foto’s van het molecuul zagen.” Het molecuul betreft het enzym ‘citraatsynthase’ dat zich in de cyanobacteriesoort Synechococcus elongatus bevindt. De onderzoekers ontdekten dat dit enzym het vermogen heeft om zichzelf spontaan te herschikken in een fractaal patroon. Het onderzoek is gepubliceerd in het blad Nature.
Puur toeval
De ontdekking van het fractale molecuul was dus geheel toevallig. De grote hamvraag van dit onderzoek betrof dan ook hoe het kan dat dit molecuul uiteindelijk deze bijzondere structuur aanneemt. Om dit uit te zoeken heeft het team samengewerkt met mede-wetenschapper en structuurbioloog Jan Schuller. Hij vertelt: “Dit was één van de moeilijkere structuren die ik tijdens mijn carrière op heb moeten lossen. Het grootste probleem met het bepalen van de precieze structuur van het fractale molecuul bestond vooral uit het feit dat onze beeldmiddelingstechnieken steeds in de war raakten. De reden hiervoor was dat de structuur dus uit kleinere driehoekjes bestaat, welke een onderdeel uitmaken van grotere driehoekjes. Het algoritme bleef zich telkens richten op deze kleinere driehoekjes, waarbij deze de grotere structuur over het hoofd zag.”
Nadat de structuur in kaart was gebracht, was het tijd om actief te gaan zoeken naar de reden wáárom deze vorm voorkomt. Voor een eerste stap keken de wetenschappers dan ook naar de cyanobacterie zelf. Mede-wetenschapper Georg Hochberg laat weten waarom: “Het komt vaak voor dat enzymen gereguleerd worden door een proces van zelfassemblage. Maar tijdens dit onderzoek hebben we ontdekt dat de cyanobacterie het niet erg vindt dat het citraatsynthase zichzelf kan herschikken tot een fractaal molecuul.” Voor deze stap heeft het team meerdere cyanobacteriën genetisch gemanipuleerd om ervoor te zorgen dat de driehoekige structuur niet verschijnt. Geen enkele cel leek hier naderhand last van te hebben. “Dit was voor ons de reden om ons af te vragen of het hier niet gewoon om een toevalligheid van de natuur gaat,” vervolgt Hochberg. “Zulke ‘ongelukjes’ kunnen gebeuren, zolang de structuur zelf niet al te ingewikkeld is om te bouwen.”
Theorie van toevalligheid
Om deze theorie van toevalligheid te testen hebben de wetenschappers het evolutionaire verloop van het molecuul nagebootst. Hiervoor hebben ze de unieke structuur als eindpunt genomen, om vervolgens via een statistische methode een variant te creëren die waarschijnlijk miljoenen jaren geleden voorkwam. Deze stokoude variant werd uiteindelijk gebruikt om te laten zien dat er relatief weinig mutaties nodig waren om bij de huidige vorm uit te komen. Tijdens dit proces hebben de onderzoekers ontdekt dat veel ‘zij-mutaties’ uiteindelijk snel verloren gingen bij andere cyanobacteriesoorten – en dat dus alleen deze soort beschikt over fractale moleculen.
Met de bovenstaande uitleg is dus vooral de ‘waarom’-vraag beantwoord. De wetenschappers ontdekten ook hoe het uiteindelijk kan dat het molecuul deze vorm aanneemt. Hiervoor is het belangrijk om erop te wijzen dat, normaalgesproken, het proces van zelfassemblage hoogst symmetrisch is; elke ‘ketting’ neemt dezelfde vorm aan als die van de buurman. Dit proces zorgt altijd voor structuren die, bij het uitzoomen, uiteindelijk niet meer lijken op de losse onderdelen. De onderzoekers hebben ontdekt dat deze symmetrische bouwregel niet geldt voor het fractale molecuul. Bij het fractale molecuul reageerden sommige proteïnen net iets anders op verschillende punten binnen het molecuul, waardoor de speciale structuur uiteindelijk kon ontstaan.
Onschadelijk ongeluk
De ontdekking van de speciale structuur is bijzonder, maar helaas niet erg betekenisvol. Zoals de wetenschappers zelf ook al aangeven is het zeer waarschijnlijk ontstaan door een toevalligheid. Hochberg sluit dan ook af: “We kunnen nooit helemaal zeker zijn waarom sommige dingen in het verleden precies plaatsvonden. Zo ziet dit bijzondere molecuul er erg complex uit, maar is het in werkelijk een structuur die vooral ontstond omdat het erg makkelijk was om uiteindelijk naartoe te evolueren.”
