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尽管许多生物体捕捉阳光并对阳光作出反应，酶——催化生化反应的蛋白质——很少受到光的驱动。一项新的研究捕捉到了一种名为FAP的酶将脂肪酸转化为烷烃或烯烃的复杂结构变化的全过程。
尽管许多生物体捕捉阳光并对其作出反应，但酶——催化生化反应的蛋白质——很少由光驱动。到目前为止，科学家们只发现了三种天然光酶。最新发现于2017年，是脂肪酸光解羧酶（FAP）。它来源于微小的藻类，利用蓝光催化脂肪酸和油脂中的脂肪酸转化为烷烃和烯烃。
“越来越多的实验室设想将FAPs用于绿色化学应用，因为烷烃和烯烃是溶剂和燃料的重要组分，包括汽油和喷气燃料。脂肪酸转化为烷烃或烯烃是在酶的一个步骤中发生的，”Martin Weik说，格勒诺布尔阿尔卑斯大学生物结构研究所的一个研究小组的组长。
Weik是一项新研究的主要研究者，这项新研究捕捉到了FAP对光的反应所经历的复杂的结构变化序列，称为光环，它驱动了这种脂肪酸的转化。虽然研究人员先前提出了FAP光环，但其基本机制尚不清楚。科学家们不知道脂肪酸失去羧酸盐需要多长时间，羧酸盐是附着在长链碳氢化合物末端的化学基团，是形成烯烃或烷烃的关键步骤，在美国能源部SLAC国家加速器实验室的直线加速器相干光源（LCLS）上进行的实验帮助回答了许多悬而未决的问题。研究人员在《科学》杂志上描述了他们的研究成果，工具箱里的所有工具都是为了理解像FAP这样的光敏酶，科学家们使用了许多不同的技术来研究在广泛的时间尺度上发生的过程，因为光子吸收发生在飞秒，或者百万分之一秒，而分子水平上的生物反应通常发生在千分之一秒。
“我们的国际跨学科联合会，由艾克斯马赛大学的Frederic Beisson领导，使用了大量的技术，包括光谱学、晶体学和计算方法，“韦克说。”正是这些不同结果的总和，使我们能够第一眼看到这种独特的酶是如何作为时间和空间的函数来工作的。”
这个联合体首先在他们家的实验室用光学光谱方法研究了催化过程的复杂步骤，研究样品中原子的电子和几何结构，包括化学键和电荷。光谱实验确定了伴随每一步的酶的中间状态，测量了它们的寿命，并提供了它们的化学性质的信息。这些结果激发了人们对LCLS超快性能的需求。
接下来，利用连续飞秒晶体学（SFX）和LCLS X射线自由电子激光器（XFEL）对催化过程进行了结构分析。在这些实验中，一束细小的FAP微晶被激光脉冲击中，引发了催化反应，接着是极短的，用超亮的X射线脉冲来测量酶结构的变化。
通过整合数千个这样的测量结果——利用光脉冲和X射线脉冲之间的不同时间延迟获得——研究人员能够跟踪酶结构随时间的变化。他们还通过在没有光学激光的情况下进行探测来确定酶的静息状态的结构。
令人惊讶的是，研究人员发现，在静息状态下，酶的光感应部分，称为FAD辅因子，具有弯曲的形状。”这个辅因子就像一个天线捕捉光子。它吸收蓝光并启动催化过程我们认为FAD辅因子的起始点是平面的，所以这种弯曲的结构是出乎意料的。”
FAD辅因子的弯曲形状实际上是由欧洲同步辐射设施的X射线结晶学首次发现的，但科学家怀疑这种弯曲是辐射损伤的产物，在同步辐射光源下收集晶体数据的一个常见问题。只有SFX实验能够证实这种不寻常的结构，因为它们在破坏样品之前捕捉结构信息的独特能力，Weik说，“这些实验得到了计算的补充，”他补充说，“没有莫斯科州立大学的Tatiana Domratcheva进行的高水平量子计算，我们不可能理解我们的实验结果。”
下一步
尽管对FAP光循环的理解有所提高，但仍然存在未回答的问题。例如，研究人员知道二氧化碳是在催化过程的某一步骤中在特定的时间和地点形成的，但他们不知道它离开酶时的状态，我们想确定产品的性质，并用更小的步骤拍摄过程照片，以便更精细地解析过程，”Weik说这对基础研究很重要，但也可以帮助科学家修改酶，为特定的应用做任务。”
Journal Reference:
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