Los investigadores han identificado una enzima que puede formar complejos con geometrías fractales. Los fractales (patrones jerárquicos en los que características estructurales en escalas mayores se repiten en escalas más pequeñas) son bien conocidos a nivel macroscópico, pero no se había observado previamente que se formaran espontáneamente a partir de moléculas biológicas a nivel molecular en células o in vitro.
Ahora Georg KA Hochberg del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre y la Universidad Philipps de Marburg, Jan M. Schuller de la Universidad Philipps de Marburg y sus compañeros han demostrado que la enzima citrato sintasa de la cianobacteria Synechococcus elongatus forma complejos en un patrón fractal. llamado triángulo de Sierpiński (Naturaleza 2024, DOI: 10.1038/s41586-024-07287-2). Los triángulos de Sierpiński consisten en pequeños triángulos equiláteros anidados dentro de triángulos equiláteros más grandes.
La forma catalítica de la citrato sintasa de S. elongatus es un hexámero triangular. Estos hexámeros pueden ensamblarse en triángulos de Sierpiński con 18 o 54 copias de la proteína (3 o 9 de los hexámeros). Para formar los fractales, la enzima gira en dirección opuesta a la forma en que gira para unirse a su sustrato durante la catálisis. El fractal “restringe la cosa de una manera que dificulta la catálisis”, dice Hochberg.
La enzima forma estas estructuras más grandes sólo por la noche, cuando el pH de la cianobacteria es aproximadamente neutro. “Es posible que esto sea una especie de accidente inofensivo, porque sólo crea esta estructura loca en un momento del día en el que de todos modos no se necesita la enzima”, dice Hochberg. El 18-mero se forma en concentraciones tan bajas que Hochberg está convencido de que ocurre en las células. Él piensa que el 54-mer probablemente no esté formado fisiológicamente.
Los investigadores utilizaron la reconstrucción de proteínas ancestrales para investigar cómo la enzima pudo haber desarrollado la capacidad de formar fractales. Un ácido glutámico y una histidina que son esenciales para la interfaz de formación de fractales estaban presentes en proteínas ancestrales que no forman fractales. Reemplazar una glutamina con una leucina eliminó una interacción que había impedido la formación de fractales. Este cambio los impulsó a reunirse.
“Eso es extraño desde una perspectiva evolutiva”, dice Hochberg. “Lo que significa es que todos los contactos positivos que unen todo esto ya estaban ahí”.
“Este es un ejemplo fascinante de cómo los caprichos de la evolución pueden conducir a la formación de arquitecturas que serían difíciles de realizar mediante el diseño de proteínas porque tanto los contactos interfaciales, los choques estéricos y la flexibilidad angular tendrían que programarse en la jerarquía de interacciones no covalentes. que experimenta un solo bloque de construcción cuando se ensambla en un fractal”, escribe en un correo electrónico François Baneyx, que diseña materiales que contienen proteínas en la Universidad de Washington.
La eliminación de la capacidad de la enzima para formar fractales no tuvo ningún efecto observado en las células, dice Hochberg. “Estas cosas son tan sorprendentemente fáciles de producir para la evolución en un solo paso mutacional que, de hecho, deberíamos esperar que eso suceda a veces por casualidad”, dice. Si alguien encuentra un ensamblaje igualmente extraño en otro organismo, podría considerar “si esto podría ser simplemente un accidente inofensivo”, dice Hochberg.
2024-04-24 21:39:02
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