分形是在多个长度尺度上都呈现出自相似的模式。这类模式可以利用一些简单的数学规则来构建,产生非凡的复杂性和美丽的结构。分形在宏观的自然世界中很常见,在植物叶脉的分枝形态、海岸线、河流系统中,都有分形的身影存在。然而,在自然界中,规则的分形非常罕见。大多数自然分形都是不规则的,不同尺度上的结构并不完全相同。并且到目前为止,自然界中所有已知的规则分形都是由生物形成的,只存在于宏观尺度上。
科学家尚未在分子尺度上,发现自然界的规则分形。
现在,在一项新发表于《自然》杂志的研究中,一个国际研究团队偶然发现了自然界中第一个规则的分子分形:一种可以自组装成谢尔平斯基三角形的天然蛋白质。在新的研究中,研究人员注意到了一种被称为细长聚球蓝细菌的蓝细菌中的柠檬酸合酶,他们发现这种蛋白质可以自发地组装成一个规则的分形图案,即谢尔平斯基三角形。
那么,这种不同寻常的特例是如何出现的?
通过利用低温电子显微镜,研究人员揭示了这种分形是如何自组装的。研究人员指出,当蛋白质自组装时,它们的模式通常是高度对称的,每个单个的蛋白质链都会与相邻的蛋白质链采用相同的排列方式。这种对称的相互作用,总会导致模式在大尺度上变得平滑。然而,新研究所聚焦的这种分形蛋白质之所以具有这样的结构,关键就在于它的组装违背了对称规则。在这个分子中,不同位置的不同蛋白质链所发生的相互作用略有不同。
这是形成谢尔平斯基三角形的基础,其内部有很大的空隙、而非分子的规则晶格。
为了验证他们的猜测,研究人员在实验室中重现了分形排列的进化发展过程。他们使用一种统计方法来回溯这种分形蛋白质在数百万年前的蛋白质序列。他们先是通过生物化学方法制造出了这些古老的蛋白质,然后发现这种排列方式可以通过非常少量的突变而突然涌现。接着,他们观察到,这种分形在几个不同的蓝细菌谱系中很快就又消失了,只在细长聚球蓝细菌这一种蓝细菌中完整存留。