Image

De Ontdekking van de Eerste Fractale Molecuul in Bacteriën


68 keer gelezen sinds
9
minuten leestijd
9
minuten leestijd
68 keer gelezen sinds

0
(0)

Laten we het vandaag voor het eerst hebben over fractalen, de wiskundige objecten die zich kenmerken door zichzelf herhalende patronen die oneindig kunnen doorgaan en zelfs op verschillende schaalniveaus kunnen verschijnen. Hoewel de sommigen van jullie waarschijnlijk al bekend zijn met fractalen, gaan we het vandaag hebben over een ontdekking die niemand eerder wist. 

We bespreken vandaag een volledig nieuwe ontdekking van een natuurlijke fractaal in de biologie die volledig bij toeval werd ontdekt en waarvan letterlijk niemand wist waarom het bestond of wat het doet. Maar eerst nog even iets meer over fractalen in de natuur. Het is duidelijk dat fractalen om redenen die we nog steeds niet helemaal begrijpen overal lijken te bestaan.

Fractalen komen niet alleen voor in kunst of door mensen gemaakte fractalen. We hebben het over natuurlijke vormen, zoals die we zien in kristallen, bijvoorbeeld sneeuwvlokken, die verschillende soorten fractalen zijn. We zien ze ook in veel verschillende fenomenen zoals bliksem en vooral wanneer je superhoge spanning gebruikt om bijvoorbeeld acrylglas te breken, wat soms bekend staat als de Lichtenberg-figuur.

Maar ik denk dat een van de meest beroemde voorbeelden waarschijnlijk in voedsel is, zoals de Romanesco broccoli, een belachelijk complexe fractaal die bijna lijkt alsof het niet echt is. Toch is dit een echte foto. En dus weten we vandaag dat heel veel verschillende dingen fractalen lijken te vormen om de een of andere reden, ongeacht de schaal waarop je kijkt, of het nu microscopisch klein is of zelfs heel groot.

De Kleinste Fractaal Ooit Gevonden

We zien fractalen letterlijk overal, vanuit het perspectief van het internationale ruimtestation bijvoorbeeld, in verschillende rivierdalen die ook fractalen lijken te vormen. Het grootste bekende voorbeeld is het mysterieuze kosmische web, waarover je meer kunt leren in een van de video’s in de beschrijving. Maar waarom deze soorten structuren fractalen vormen, is niet altijd een vraag die we kunnen beantwoorden.

Soms lijkt het logisch, soms is het efficiënter, maar soms slaat het helemaal nergens op. En vandaag gaan we het hebben over zo’n voorbeeld dat we nog nooit eerder hebben gezien. Laat me je een foto laten zien. Deze werd volledig bij toeval ontdekt en dit is letterlijk de kleinste ooit waargenomen natuurlijke fractaal. Dit is de eerste reguliere moleculaire fractaal die werd ontdekt in een van de microscopische afbeeldingen van een relatief bekende soort bacteriën en specifiek is dit een microbiële enzym en een echt belangrijke die dit cyanobacterium gebruikt om te overleven.

Het gaat hier om de bacterie die we bespreken, bekend als Cus elongatus, een typische zeebacterie die extreem vergelijkbaar is met gist. Het kan daadwerkelijk heel snel groeien in typische zonlichtomstandigheden maar is ook in staat om te overleven door zelf suikers aan te maken door het proces van autotrofie. Deze bacterie is de afgelopen jaren uiterst belangrijk geweest in diverse genetische studies omdat wetenschappers geloven dat ze deze specifieke bacterie voor veel verschillende doeleinden kunnen gebruiken, bijvoorbeeld om gist te vervangen en dingen veel efficiënter te maken.

Studie van Fractalen in een Micro-organisme

Terwijl onderzoekers dit organisme bestudeerden en specifiek probeerden te identificeren wat erin zat met behulp van zeer geavanceerde elektronenmicroscopen, zagen ze een heleboel dingen die eigenlijk geen zin leken te maken. Het waren niet slechts één of twee dingen; het was overal te vinden en belangrijker nog, sommige ervan begonnen zelfs meer complexe vormen te vormen. Zoals je hier kunt zien, en je weet misschien al wat dit is, dit is natuurlijk de beroemde Sierpinski-driehoek, een extreem bekende fractaal die in wezen een gelijkzijdige driehoek is onderverdeeld in kleinere driehoeken, gerangschikt op een zeer specifieke manier. De driehoek zelf is vernoemd naar de beroemde Poolse wiskundige Wacław Sierpiński, die je hier ziet. In werkelijkheid kennen we dit patroon al heel lang, hier is een voorbeeld uit Italië uit de 13e eeuw, met een driehoek zichtbaar in het steenwerk in de Basilica di San Giovanni in Laterano.

Natuurlijk hebben we geen idee hoe de oude volkeren hierover wisten, misschien hebben ze het ergens gezien, maar dat is niet echt het punt. Het punt is dat dit een extreem bekende fractaal is en het is eigenlijk nooit op zo’n manier in de natuur gezien. Sterker nog, dit is niet alleen de kleinste fractaal, het lijkt ook een van de meest complexe te zijn.

De Functie en Complexiteit van Proteïnen

Maar de voor de hand liggende vraag is, wat doet dit precies en waarom is het zoals het is? Waarom is het een fractaal? Wel, eerst moeten we begrijpen wat dit eigenlijk is en wat er normaal gesproken gebeurt met dit soort eiwitten.

In wezen is dit een enzym en het is eigenlijk een heel belangrijk enzym gebruikt in de citroenzuurcyclus, de cyclus verantwoordelijk voor het produceren van veel energie voor de cel door in wezen ATP te produceren. Specifiek door gebruik te maken van dit enzym hier, bekend als citraatsynthase, dat letterlijk aanwezig is in vrijwel elke levende cel op de planeet.

Hier is het een eerste stap van de citroenzuurcyclus, ook bekend als de Krebscyclus, die de energie voor de cel produceert, bekend als ATP. Zoals je misschien weet uit de biologie, is ATP super belangrijk; het is overal, het is nodig voor elke cel, het is letterlijk onze brandstof en dit alles begint altijd met citraatsynthase.

Wat betreft proteïnen, ze zijn niet altijd hetzelfde, eigenlijk zijn ze bijna nooit hetzelfde. Proteomica, of de studie van eiwitten, is een van de meest gecompliceerde gebieden van de biochemie en zelfs vandaag is het bijna onmogelijk om te voorspellen welke vorm een eiwit zal aannemen, zelfs als we de sequentie ervan kennen.

Normaal gesproken lijken typische eiwitten een relatief gladde vorm aan te nemen, zoals je hier kunt zien, en ze creëren over het algemeen veel verschillende vormen waarbij de vorm zelf verantwoordelijk is voor de functie. Dus de vorm is normaal gesproken vrij belangrijk, maar dit proces van zelfassemblage is ook super complex en technisch slecht begrepen.

Echter, in alle voorbeelden die we tot nu toe hebben gezien, hebben we nooit iets zo complex gezien als wat nu in deze studie is gezien, complex in termen van geometrische vormen. Het is een daadwerkelijke driehoek en dat is in feite de eerste keer dat het ooit gezien is, en niet zomaar een driehoek, maar een regelmatige fractaal die de enzymen lijken te vormen naarmate er meer en meer samenkomen in deze complexe vorm.

De eerste vraag die wetenschappers probeerden te beantwoorden is: hoe gebeurt dit precies en waarom gebeurt dit?

Asymmetrische Vorming en Fractalen in Eiwitten

In het algemeen assembleren eiwitten zich op een zeer symmetrische manier, waarbij elke keten in het eiwit zich op een geordende manier ten opzichte van zijn buren schikt. Dit resulteert doorgaans in iets dat bijna perfect is, erg glad, althans op zeer grote schalen. Maar in dit specifieke eiwit, wanneer deze ketens beginnen te assembleren, lijken ze dat niet symmetrisch te doen.

Ze vormen eigenlijk zeer vreemde holtes en vanwege deze asymmetrische assemblage beginnen sommige van deze ketens ongewone vormen binnenin te vormen, waardoor grotere en grotere holtes ontstaan. Deze holtes beginnen uiteindelijk fractalen te vormen. Hier is ruwweg hoe dit er allemaal uitziet. Dit alles is gewoon het resultaat van een soort imperfectie of asymmetrische schikking die verrassend genoeg resulteert in deze driehoeken die steeds groter en groter worden. Dit is tenminste een van de meer voorlopige verklaringen.

Functie van de Fractaalvormige Eiwitten

Maar dan rijst de andere vraag: doet dit eigenlijk iets nuttigs binnen de cel? Normaal gesproken is de vorm van eiwitten allesbepalend. Dus doet deze driehoek iets? Is dit daadwerkelijk de enige manier waarop dit specifieke enzym functioneert? Het blijkt dat het antwoord nee is. Het hoeft helemaal geen driehoek te zijn. In feite is deze driehoek slechts een complexere vorm gevormd door individuele enzymen en het hoeft eigenlijk niet te bestaan.

De wetenschappers hebben dit zelfs getest; ze hebben de bacterie genetisch gemodificeerd om de fractaal niet te produceren door het enzym een klein beetje te veranderen. De bacteriële cellen gaven er niets om; ze groeiden net zo goed en deden in principe hetzelfde als andere cellen, wat suggereert dat deze specifieke driehoeken geen voordeel lijken te bieden, of op zijn minst geen voordeel dat we nog kunnen bedenken.

Op dit moment wordt dit daadwerkelijk beschouwd als volledig toevallig en zal het waarschijnlijk verdwijnen zodra de mutatie verandert en andere vormen begint aan te nemen.

Conclusies over de Incidentele Fractaal

Aangezien we dit zien en aangezien het geen daadwerkelijk nut lijkt te hebben, is de hoofdconclusie hier dat dit misschien niet zo ongewoon is als we denken. Misschien gebeuren deze ongebruikelijke toevalligheden in feite wanneer de structuur niet moeilijk te construeren is, zoals in dit geval waar het in wezen gewoon een driehoek is.

De hoofdconclusie is dat dit waarschijnlijk slechts een resultaat is van kleine mutaties. Dit fenomeen zal waarschijnlijk weer verdwijnen binnen een paar miljoen jaar. Deze driehoek lijkt niet bedoeld om permanent te blijven, aangezien het tot nu toe alleen in deze ene soort is gevonden. Maar dit is wellicht niet zo verrassend. Dit enzym is essentieel voor het leven op aarde en komt voor in bijna alle levende wezens, zij het in licht verschillende vormen.

Men verwacht dat het op een gegeven moment kan evolueren naar iets ongebruikelijkers en mooiers, zoals de beroemde Sierpinski-driehoek, een van de simpelste fractalen die we kennen. Of deze fractaal nu toevallig is en nutteloos, of dat er toch een onbekend voordeel aan verbonden is, dat weten we nog niet. We zullen hier zeker in toekomstige artikelen op terugkomen.

Link: YouTube video

Hoe vond je dit artikel?

Klik op een ster om deze te beoordelen!

Gemiddelde waardering 0 / 5. Stemtelling: 0

Tot nu toe geen stemmen! Wees de eerste die dit bericht waardeert.

Factchecking, Spelling en grammatica: Nick Haenen & Sofie Janssen

Factchecking, Spelling en grammatica: 
Nick Haenen & Sofie Janssen

Persoonlijkheidstesten

is het De ijdelheidstest of De ijdelheidsstest
Emotionele Intelligentie Test
Spiritualiteit Test