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尽管许多生物捕获并响应太阳光,但酶(催化生化反应的蛋白质)很少受到光的驱动。到目前为止,科学家们仅识别出三种类型的天然光酶。最新的发现于2017年的是脂肪酸光脱羧酶(FAP)。它源自微观藻类,它使用蓝光催化脂肪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FAP用于绿色化学应用,因为烷烃和烯烃是溶剂和燃料(包括汽油和喷气燃料)的重要成分。而且脂肪酸在酶的一步之内即可转化为烷烃或烯烃。 ”,格勒诺布尔阿尔卑斯大学生物结构研究所的研究小组负责人马丁·韦克(Martin Weik)说。
魏克(Weik)是一项新研究的主要研究人员,该研究捕获了FAP对光的响应所引起的结构变化的复杂序列,即光周期,该周期驱动脂肪酸的转化。尽管研究人员先前提出了FAP光循环,但其基本机理尚不清楚。科学家们不知道脂肪酸要花多长时间才能失去羧酸盐,羧酸盐是碳氢化合物长链末端的化学基团,是形成烯烃或烷烃的关键步骤。
与SLAC科学家合作,在能源部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这些悬而未决的问题。研究人员在《科学》杂志中描述了他们的研究结果。
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为了了解像FAP这样的光敏酶,科学家使用了许多不同的技术来研究在很宽的时间范围内发生的过程-因为光子吸收发生在飞秒或十亿分之一秒的百万分之一之内,而生物反应则在飞秒上发生。分子水平通常在千分之一秒内发生。
“我们由艾克斯-马赛大学的弗雷德里克·贝松(Frederic Beisson)领导的国际跨学科财团使用了许多技术,包括光谱学,晶体学和计算方法,”魏克说。“正是这些不同结果的总和,使我们得以初步了解这种独特的酶是如何随时间和空间变化的。”
该盟首先在他们的家庭实验室中使用光谱学方法研究了催化过程的复杂步骤,该方法研究了样品中原子的电子和几何结构,包括化学键合和电荷。光谱实验确定了酶伴随每个步骤的中间状态,测量了酶的寿命并提供了有关其化学性质的信息。这些结果激发了对LCLS超快速功能的需求。
接下来,使用LCLS X射线自由电子激光器(XFEL)通过连续飞秒晶体学(SFX)提供了催化过程的结构图。在这些实验中,用光学激光脉冲击中微小的FAP微晶射流以启动催化反应,然后通过非常短的超亮X射线脉冲来测量酶结构的最终变化。
通过整合成千上万种测量值(使用光脉冲和X射线脉冲之间的各种时间延迟获得),研究人员能够跟踪酶随时间的结构变化。他们还通过不使用光学激光进行探测来确定酶的静止状态的结构。
令人惊讶的是,研究人员发现,在静止状态下,该酶的光敏部分称为FAD辅因子,具有弯曲的形状。“这个辅助因子就像一个捕获光子的天线。它吸收蓝光并启动催化过程,” Weik说。“我们认为FAD辅助因子的起点是平面的,因此这种弯曲的构想是出乎意料的。”
FAD辅助因子的弯曲形状实际上是首先在欧洲同步加速器辐射设施的X射线晶体学中发现的,但科学家们怀疑这种弯曲是辐射损伤的产物,这是同步加速器光源收集的晶体学数据的一个普遍问题。Weik说,只有SFX实验才能确认这种不寻常的配置,因为它们具有在破坏样品之前捕获结构信息的独特能力。
他补充说:“这些实验得到了计算的补充,没有莫斯科国立大学的塔蒂亚娜·多姆拉切特娃(Tatiana Domratcheva)进行的高级量子计算,我们就不会理解我们的实验结果。”
尽管人们对FAP的照片循环有了更好的了解,但仍存在未解决的问题。例如,研究人员知道二氧化碳是在催化过程的特定步骤中的特定时间和位置形成的,但是他们不知道二氧化碳离开酶时的状态。
“在将来的XFEL工作中,我们希望识别产品的性质,并以较小的步长为过程照相,以便更精细地解决该过程,” Weik说。“这对于基础研究很重要,但它也可以帮助科学家修改酶以完成特定应用的任务。”
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