Photoenzym fand heraus, dass Fettsäuren unter Lichteinwirkung in Kohlenwasserstoffe umgewandelt werden

Strukturmerkmale eines Photoenzyms namens Fettsäure-Photodecarboxylase (FAP) mit einem lichtempfindlichen FAD-Element

Licht ist an vielen biologischen Prozessen beteiligt, die in lebenden Organismen ablaufen, unabhängig vom Vorhandensein der Photosynthese. Dies sind Prozesse wie Wachstum, Entwicklung, Stoffwechsel und tägliche Biorhythmen. In den meisten Fällen beeinflusst Licht die Zellphysiologie durch „Intermediäre“ - photoaktive Proteine, einschließlich lichtempfindlicher Ionenkanäle, Photorezeptoren, Lichtsammelkomplexe und lichtabhängiger Enzyme. Letzteres kann in zwei Typen unterteilt werden: 1) Enzyme mit Photoaktivierung, die nur einen kurzen Lichtblitz benötigen, um in einen aktiven Zustand zu gelangen; 2) Photoenzyme, die einen konstanten Photonenfluss benötigen, um die katalytische Funktion aufrechtzuerhalten. Tatsächlich arbeiten letztere mit Photonen als Brennstoff.

Photoenzyme sind ein seltener Katalysatortyp. In der Natur gibt es nur zwei Familien von Proteinen dieses Typs: DNA-Photolyase, die in vielen Organismen das DNA-Schadensfeld durch ultraviolettes Licht repariert, und Protochlorophyllid.

Photoenzyme sind sehr nützliche Werkzeuge in der Biotechnologie. Sie werden verwendet, um schnelle enzymatische Prozesse in Echtzeit als Hilfsglied beim Design anderer Enzyme und in der Optogenetik zu beobachten , wenn bestimmte neuronale Verbindungen im Gehirn durch einen Lichtbefehl unterdrückt oder aktiviert werden.

Gleichzeitig sind Wissenschaftler für Mikroalgen wie Chlorella variabilis NC64A oder Chlamydomonas reinhardtii 137C bekannt, die lange Ketten von Fettsäuren in Alkane (gesättigte Kohlenwasserstoffe) oder ungesättigte Kohlenwasserstoffe umwandeln. Dieser Prozess hängt von der Anwesenheit von Licht ab.

Einer Gruppe von Wissenschaftlern des Instituts für Biowissenschaften und Biotechnologie der Universität Aix-Marseille (Frankreich) gelang es, ein spezifisches Photoenzym zu isolieren, das Alkane in der grünen Mikroalge Chlorella variabilis synthetisiert.

Die Bedeutung der Entdeckung kann kaum überschätzt werden, da für die Synthese von Alkanen im Coenzym außer Fett und Sonnenlicht keine weiteren Faktoren erforderlich sind. Dieses Enzym kann in andere lebende Organismen, einschließlich Bakterien, eingeführt und in der Industrie verwendet werden.

Eine Untersuchung der Lichtempfindlichkeit des Enzyms zeigte, dass es mit einer Wellenlänge von 450-500 nm (blaues Licht) und einem Maximum bei 467 nm am lichtempfindlichsten ist.



Die Enzymaktivität nimmt direkt proportional zur Belichtung zu. Die Grafik unten links zeigt die Abhängigkeit von der Beleuchtung mit weißem Licht, und unten rechts zeigt die Abhängigkeit der Menge an Kohlenwasserstoffen in C. reinhardtii- Zellen, die in einem Bioreaktor unter dem Einfluss von blauem und rotem Licht gezüchtet wurden.



Die Autoren der wissenschaftlichen Arbeit gaben dem neuen Enzym den Namen FAP - Fettsäure-Photodecarboxylase, dh Photodecarboxylase von Fettsäuren. Die Decarboxylierung ist der Prozess der Spaltung der Carboxylgruppe von Aminosäuren in Form von CO ₂ , daher ist dieses Enzym eine echte Decarboxylase.

Der Ort von FAP in der Evolution ist auf einem phylogenetischen Baum dargestellt.



So wurde ein weiteres Enzym entdeckt, das im Laufe seines Lebens Kohlenwasserstoffe bildet. Bisher war eine Reihe von Enzymen mit einer solchen Funktionalität bekannt: Oxidoreduktasen und Polyketide in Cyanobakterien, Desaturase-ähnliche Proteine ​​CER1 und CER3 in Pflanzen, Cytochrom P450 in Bakterien Jeotgalicoccus sp. ATTC8456 und bei Insekten sowie diabetische Oxidoreduktasen im Bakterium Pseudomonas aeruginosa . Neue Photoenzyme kommen hinzu. Enzyme dieses Typs können sehr selten sein, da die Evolution keine lichtabhängigen chemischen Reaktionen fördert.

Wissenschaftler betonen, dass aus der Vielzahl der Enzyme, die Kohlenwasserstoffe bilden, klar ist, dass Licht für eine solche Reaktion nicht notwendig ist. Es bleibt daher nur anzunehmen, warum FAP genau auf Photonen funktioniert. Möglicherweise liegt dies an der intrazellulären Funktion von Enzymen. Wahrscheinlich trat diese Funktion nach der primären Endosymbiose auf, blieb nach der sekundären Endosymbiose bestehen, ging aber in Pflanzen verloren. Seine Konservierung in Algen weist auf eine bestimmte spezifische Funktion hin, die genau diesen Organismen innewohnt.

Die Entdeckung eines neuen Coenzyms zeigt, dass die Katalyse unter Lichteinfluss in lebenden Organismen nicht nur auf die Prozesse der Lichtabsorption und DNA-Reparatur beschränkt ist. Photonen eignen sich auch zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen.

Darüber hinaus schlagen die Autoren vor, dass das Coenzym leicht modifiziert werden kann, um andere chemische Reaktionen durchzuführen - dies ist ein großes Aktivitätsfeld für Biohacker.

Der wissenschaftliche Artikel wurde am 1. September 2017 in der Zeitschrift Science (doi: 10.1126 / science.aan6349, pdf ) veröffentlicht.