اكتشاف أول جزيء كُسيري في الطبيعة
10 أبريل 2024
المترجم: عدنان أحمد الحاجي
المقالة رقم 88 لسنة 2024
Discovery of the first fractal molecule in nature
April 10,2024
بروتين طبيعي يتماشى مع نسق رياضي لعملية التشابه الذاتي
عثر فريق دولي من باحثين بقيادة فرق بحثية من معهد ماكس بلانك في ماربورغ وجامعة فيليبس في ماربورغ Marburg على أول كسيرية «فراكتلية» جزيئية [1] molecular fractal منتظمة في الطبيعة. اكتشفت هذه الفرق إنزيمًا ميكروبيًا - سيترات سينسيز [2] citrate synthase من البكتيريا الزرقاء [3] - يتركب تلقائيًا في نسق يُعرف باسم مثلث سيربينسكي Sierpinski triangle. تشير دراسات استخدمت المجهر الإلكتروني والكيمياء الحيوية التطورية [4] إلى أن هذه الكسيرية قد تمثل حدثًا تطوريًا.
رقائق الثلج وأوراق السرخس ورؤوس البروكلي الرومي [5] : العديد من المركبات في الطبيعة لها اتساق معين. كل جزء «كسيرية» من أجزائها «الكسيريات» لها نفس شكل بنية المركب بأكمله. تسمى هذه الأشكال، التي تتكرر من الأكبر إلى الأصغر، الفركتلات «الكسيريات». لكن الفركتلات المنتظمة التي تتطابق تمامًا تقريبًا على كل المقاييس، كما في الأمثلة أعلاه، نادرة جدًا في الطبيعة.
الجزيئات لديها أيضا نسق معين. ولكن إذا نظرت إليها من مسافة بعيدة فلن تتمكن من رؤية أي علامات على ذلك النسق. ولكن سترى مادة منتظمة لم تعد خصائصها تتطابق مع خصائص الجزيئات الفردية المكونة لها. درجة البنية التفصيلية الدقيقة التي نراها تعتمد على مدى درجة تكبيرنا للمادة تحت المجهر الاكتروني - بعكس الفركتلات، حيث يستمر التشابه الذاتي [مشابهة لجزء لذاته [6] ] على جميع المستويات. في الواقع، الفركتلات المنتظمة [أي الشكل الهندسي الذي يتكرر على مقاييس متعددة [7] ] على المستوى الجزيئي غير معروفة تمامًا في الطبيعة.
وهذا أمر مثير للدهشة إلى حد ما. ففي نهاية المطاف، يمكن للجزيئات أن تنتظم بأشكال رائعة. لدى الباحثين كتالوجات واسعة النطاق مركبات جزيئية ذاتية الإنتطام. ومع ذلك، لم يكتشف بينها قط فراكتلات متسقة. لقد اتضح أن جميع المركبات الجزيئية الذاتية الانتظام التي لها مظهر متسق تقريبًا تنتهي إلى نوع من الاتساق والذي يصبح مظهر مادة منتظمة على المقاييس الكبيرة [لا التفصيلية الدقيقة].
الكثير من الأشكال الكسيرية، على سبيل المثال في الغيوم أو دلتا الأنهار «أعلاه» تتكون عبر عمليات عشوائية ولا تتبع صيغة رياضية دقيقة؛ لا يتوافق قاع النهر الأصغر تمامًا مع هيكلية النهر الأم الذي يتفرع منه الأنهار الأصغر. من ناحية أخرى، يعتبر السرخس «أسفل اليسار» والبروكلي الرومي، أمثلة على الفركتلات العادية.
اكتشف فريق دولي من الباحثين بقيادة فرق بحثية من معهد ماكس بلانك في ماربورغ وجامعة فيليبس في ماربورغ أول كسيرية جزيئية منتظمة في الطبيعة. اكتشفوا إنزيمًا ميكروبيًا - سيترات سينسيز من البكتيريا الزرقاء - ينتظم تلقائيًا في نمط كسيري «فراكتلي» منتظم يُعرف باسم مثلث سيبرنسكي Sierpiński. هذه سلسلة متكررة لا نهائية من المثلثات المكونة من مثلثات صغيرة. تقول المؤلف الأول فرانزيسكا سيندكر Franziska Sendker: ”لقد وجدنا هذه الشكل عن طريق الصدفة ولم نتمكن تقريبًا من تصديق ما رأيناه عندما التقطنا صورًا له لأول مرة باستخدام المجهر الإلكتروني“. وتضيف: ”يشكل البروتين هذه المثلثات الرائعة، ومع نمو الفركتلات، نرى هذه الفراغات المثلثة الأكبر حجمًا في منتصفها، وهو ما يختلف تمامًا عن أي تركيب بروتيني شاهدناه من قبل“.
مثلث سيبرنسكي، المصدر: الوكيبيديا
كيف انبثق هذا الاستثناء غير العادي؟ ما الذي ميز هذا الإنزيم عن باقي الإنزيمات، مما جعله يتشكل بشكل كسيري؟ وبالتعاون مع باحث علم الأحياء البنيوية في جامعة ماربورغ، تمكن الفريق في نهاية المطاف من التعرف على التركيب الجزيئي لهذه المجموعة تحت المجهر الإلكتروني، والذي سلط الضوء على كيف توصل هذا الإنزيم إلى شكل هندسته الكسيرية في النهاية. يقول يان شولر Jan Schuller، الذي ساعدت مجموعته في التعرف على الشكل: ”لقد كانت هذه واحدة من أصعب الأشكال، ولكن أيضًا أكثرها روعة، التي قمت بدراستها التحليلية في حياتي المهنية“.
