Erstes fraktales Molekül in der Natur entdeckt

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Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Gruppen des Max-
Planck-Instituts in Marburg und der Phillips-Universität Marburg hat das
erste regelmäßige molekulare Fraktal in der Natur entdeckt. Ein
mikrobielles Enzym setzt sich spontan zu einem regelmäßigen fraktalen
Muster, dem so genannten Sierpinski-Dreieck, zusammen.
Elektronenmikroskopische und evolutionsbiochemische Untersuchungen deuten
darauf hin, dass dieses Fraktal ein evolutionärer Zufall sein könnte.

Schneeflocken, Farnblätter, Romanesco-Blumenkohlköpfe: In der Natur trifft
man manchmal auf Formen, deren einzelnen Bestandteile wie das Ganze
aussehen. Formen, die sich vom Großen bis ins Kleinste in sich selbst
wiederholen, nennt man Fraktale.
Regelmäßige Fraktale, bei denen die Übereinstimmung zwischen den
Größenordnungen nahezu exakt ist, wie bei den obigen Beispielen, sind in
der Natur sehr selten.

Auch Moleküle weisen eine gewisse Regelmäßigkeit auf. Doch wenn man sie
aus hoher Entfernung betrachtet, ist davon nichts mehr zu erkennen. Dann
sieht man eine glatte Materie, deren Merkmale nicht mehr mit denen der
einzelnen Moleküle übereinstimmen. Der Grad der Feinstruktur, den wir
sehen, hängt hier von unserer Vergrößerung ab, ganz im Gegensatz zu
Fraktalen, bei der die Selbstähnlichkeit über alle Skalen hinweg bestehen
bleibt. Tatsächlich sind auf der Ebene der Moleküle regelmäßige Fraktale
in der Natur völlig unbekannt.

Das überrascht ein wenig, denn Moleküle können sich selbst zu allen
möglichen wunderschönen Formen zusammensetzen. In wissenschaftlichen
Einrichtungen findet man umfangreiche Kataloge selbstorganisierter,
komplexer Molekülstrukturen. Allerdings fand sich darunter bisher noch nie
ein regelmäßiges Fraktal. Es stellt sich heraus, dass fast alle regelmäßig
aussehenden Selbstanordnungen zu der Art von Regelmäßigkeit führen, die
auf großen Skalen glatt werden.

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Gruppen des
Marburger Max-Planck-Instituts in Marburg und der Phillips-Universität ist
jetzt auf das erste regelmäßige molekulare Fraktal in der Natur gestoßen.
Sie entdeckten ein mikrobielles Enzym - die Citrat-Synthase aus einem
Cyanobakterium - das sich spontan zu einem regelmäßigen fraktalen Muster,
dem so genannten Sierpiński-Dreieck, zusammensetzt. Dabei handelt es sich
um eine sich unendlich wiederholende Reihe von Dreiecken, die aus
kleineren Dreiecken bestehen.

„Wir sind völlig zufällig auf diese Struktur gestoßen und konnten es kaum
glauben, als wir sie zum ersten Mal unter einem Elektronenmikroskop
betrachteten", sagt Erstautorin Franziska Sendker. „Das Protein bildet
diese wunderschönen Dreiecke, und während das Fraktal wächst, sehen wir
diese immer größeren dreieckigen Lücken in der Mitte, was völlig anders
ist als jede Proteinanordnung, die wir je zuvor gesehen haben", fährt sie
fort.

Wie kam es zu dieser außergewöhnlichen Ausnahme? Was unterscheidet das
Enzym von allen anderen, so dass es eine fraktale Form bildet? In
Zusammenarbeit mit Strukturbiologen der Universität Marburg gelang es dem
Team schließlich, mit Hilfe der Elektronenmikroskopie aufzuklären, wie die
molekulare Struktur diese fraktale Geometrie bedingt. „Dies war eine der
schwierigsten, aber auch faszinierendsten Strukturen, die ich in meiner
Laufbahn gelöst habe", sagt Jan Schuller, dessen Gruppe an der
Strukturbestimmung beteiligt war. „Das Problem bestand darin, dass unsere
Bildanalysetechniken darauf nicht ausgerichtet sind. Sie wurden durch die
Tatsache verwirrt, dass die kleineren Dreiecke Unterstrukturen größerer
Dreiecke sein können. Der Algorithmus konzentrierte sich auf diese
kleineren Dreiecke, anstatt die größeren Strukturen zu sehen, zu denen sie
gehörten", erklärt er.

Anhand der vorliegenden Struktur wurde deutlich, wie dieses Protein sich
zu einem Fraktal zusammensetzen kann. Normalerweise verläuft die
Selbstorganisation von Proteinen sehr symmetrisch: Jede einzelne
Proteinkette nimmt die gleiche Anordnung zu ihren Nachbarn ein. Diese
symmetrischen Wechselwirkungen führen immer zu Strukturen, die auf großen
Skalen glatt werden. Der Schlüssel zum fraktalen Protein liegt darin, dass
sein Zusammenbau gegen diese Symmetrie-Regel verstößt. Verschiedene
Proteinketten gingen an verschiedenen Positionen im Fraktal leicht
unterschiedliche Wechselwirkungen ein. Auf diese Weise entstand das
Sierpinski-Dreieck mit seinen großen inneren Hohlräumen anstelle eines
regelmäßigen Molekülgitters.

Hat diese bizarre Anordnung irgendeinen Nutzen? „Das Prinzip der
Selbstorganisation wird häufig zur Regulierung von Enzymen genutzt, aber
in diesem Fall scheint es dem Cyanobakterium, in dem dieses Enzym
vorkommt, ziemlich egal zu sein, ob sich seine Citrat-Synthase zu einem
Fraktal zusammensetzen kann oder nicht.“ Als das Team das Bakterium
genetisch manipulierte, um zu verhindern, dass sich seine Citrat-Synthase
zu den fraktalen Dreiecken zusammensetzt, wuchsen die Zellen unter
verschiedenen Bedingungen genauso gut. „Dies veranlasste uns zu der Frage,
ob es sich dabei vielleicht nur um einen harmlosen Zufall der Evolution
handelt. Sozusagen ein Unfall, der passiert, weil die betreffende Struktur
nicht allzu schwierig zu konstruieren ist", sagt der Evolutionsbiologe
Georg Hochberg, einer der Hauptautoren der Studie.

Um ihre Theorie zu überprüfen, spielte das Team unter Laborbedingungen die
evolutionäre Entstehung der fraktalen Anordnung nach. Durch die
Wiederbelebung einer Citrat-Synthase eines evolutionär alten
Cyanobakteriums mit Hilfe statistischer Methoden und anschließender
experimenteller Untersuchungen, konnten sie zeigen, dass die Anordnung
recht plötzlich durch eine sehr geringe Anzahl von Mutationen entstand.
Sie wurde im Anschluss sofort in mehreren Cyanobakterienlinien wieder
verloren, sodass sie nur in dieser einzigen Bakterienart intakt blieb.

„Wir können nie ganz sicher sein, warum etwas in der Vergangenheit
passiert ist. Doch in diesem Fall finden wir tatsächlich alle Merkmale
eines evolutionären Zufalls: eine scheinbar komplexe biologischen
Struktur, die ohne guten Grund entstanden ist, einfach weil es sehr leicht
war, sie zu entwickeln", sagt Hochberg.

Die Tatsache, dass etwas so komplex Aussehendes wie ein molekulares
Fraktal in der Evolution so leicht entstehen konnte, lässt vermuten, dass
noch mehr Überraschungen und viel Schönheit in bisher unentdeckten
molekularen Anordnungen vieler Biomoleküle verborgen sein könnten.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Dr. Georg Hochberg
Max Planck Research Group Leader +49 6421 28-25441 georg.hochberg@mpi-
marburg.mpg.de
Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology, Marburg

Originalpublikation:
Sendker, F.L.; Lo, J.K.;  Heimerl, T.;  Bohn, S.; Persson, L-J.; Mais,
C.N.; Sadowska, W.; Paczia, N.; Nußbaum, E.; del Carmen Sánchez Olmos, M.;
Forchhammer. K.; Schindler, D.;  Erb, T.J.;  Benesch, J.L.P.; Marklund,
E.; Bange, G.; Schuller, J.M.; Hochberg, G.K.A.
Emergence of fractal geometries in the evolution of a metabolic enzyme
Nature April 10 (2024), DOI: 10.1038/s41586-024-07287-2