Caractéristiques structurelles d'une photoenzyme appelée photodécarboxylase d'acide gras (FAP) avec un élément photosensible FADLa lumière est impliquée dans de nombreux processus biologiques qui se produisent dans les organismes vivants, indépendamment de la présence de photosynthèse. Ce sont des processus tels que la croissance, le développement, le métabolisme et les biorythmes quotidiens. Dans la plupart des cas, la lumière affecte la physiologie cellulaire par le biais d '«intermédiaires» - protéines photoactives, y compris les canaux ioniques photosensibles, les photorécepteurs, les complexes de collecte de la lumière et les enzymes dépendant de la lumière. Ces derniers peuvent être divisés en deux types: 1) les enzymes avec photoactivation, qui n'ont besoin que d'un court éclat de lumière pour entrer dans un état actif; 2) photoenzymes qui nécessitent un flux de photons constant pour maintenir la fonction catalytique. En effet, ces derniers opèrent sur des photons comme combustible.
Les photoenzymes sont un type rare de catalyseur. Dans la nature, il n'existe que deux familles de protéines de ce type: l'ADN photolyase, qui, dans de nombreux organismes, répare le champ d'ADN endommagé par la lumière ultraviolette et le protochlorophyllide.
Les photoenzymes sont des outils très utiles en biotechnologie. Ils sont utilisés pour observer des processus enzymatiques rapides en temps réel, en tant que lien auxiliaire dans la conception d'autres enzymes et en
optogénétique , lorsque des connexions neuronales spécifiques dans le cerveau sont supprimées ou activées par une commande lumineuse.
Dans le même temps, les scientifiques sont connus pour les microalgues, telles que
Chlorella variabilis NC64A ou
Chlamydomonas reinhardtii 137C, qui convertissent les longues chaînes d'acides gras en alcanes (hydrocarbures saturés) ou en hydrocarbures insaturés, et ce processus dépend de la présence de lumière.
Un groupe de scientifiques de l'Institut des Biosciences et Biotechnologies de l'Université d'Aix-Marseille (France) a réussi à isoler une photoenzyme spécifique qui synthétise les alcanes dans la microalgue verte
Chlorella variabilis .
L'importance de la découverte ne peut guère être surestimée car aucun autre facteur n'est nécessaire pour la synthèse des alcanes dans la coenzyme, à l'exception des graisses et de la lumière solaire. Cette enzyme peut être introduite dans d'autres organismes vivants, y compris les bactéries, et utilisée dans l'industrie.
Une étude de la photosensibilité de l'enzyme a montré qu'elle est la plus sensible à la lumière avec une longueur d'onde de 450-500 nm (lumière bleue), avec un maximum à 467 nm.
L'activité enzymatique augmente en proportion directe de l'exposition à la lumière. Le graphique en bas à gauche montre la dépendance à l'éclairage avec de la lumière blanche, et en bas à droite montre la dépendance de la quantité d'hydrocarbures dans les cellules de
C. reinhardtii cultivées dans un bioréacteur sous l'influence de la lumière bleue et rouge.
Les auteurs des travaux scientifiques ont donné à la nouvelle enzyme le nom de FAP - photodécarboxylase d'acide gras, c'est-à-dire photodécarboxylase d'acides gras. La décarboxylation est le processus de clivage du groupe carboxyle des acides aminés sous forme de CO
2 , donc cette enzyme est une véritable décarboxylase.
La place de la FAP dans l'évolution est indiquée sur un arbre phylogénétique.
Ainsi, une autre enzyme a été découverte qui forme des hydrocarbures au cours de sa vie. Jusqu'à présent, un certain nombre d'enzymes possédant une telle fonctionnalité étaient connues: oxydoréductases et polycétides dans les cyanobactéries, protéines de type désaturase CER1 et CER3 dans les plantes, cytochrome P450 dans les bactéries
Jeotgalicoccus sp. ATTC8456 et chez les insectes, ainsi que les oxydoréductases diabétiques dans la bactérie
Pseudomonas aeruginosa . De nouvelles photoenzymes les rejoignent. Les enzymes de ce type peuvent être assez rares, car l'évolution n'encourage pas les réactions chimiques dépendantes de la lumière.
Les scientifiques soulignent que de la variété des enzymes qui forment les hydrocarbures, il est clair que la lumière n'est pas nécessaire pour une telle réaction. Par conséquent, il ne reste plus qu'à supposer pourquoi FAP fonctionne précisément sur les photons. Cela est peut-être dû à la fonction intracellulaire des enzymes. Probablement, cette fonction est apparue après l'endosymbiose primaire, est restée après l'endosymbiose secondaire, mais a été perdue dans les plantes. Sa conservation dans les algues indique une certaine fonction spécifique inhérente précisément à ces organismes.
La découverte d'une nouvelle coenzyme montre que dans les organismes vivants, la catalyse sous l'influence de la lumière ne se limite pas aux seuls processus d'absorption de la lumière et de réparation de l'ADN. Les photons conviennent également à la production d'hydrocarbures.
De plus, les auteurs suggèrent que la coenzyme peut être légèrement modifiée pour effectuer d'autres réactions chimiques - il s'agit d'un vaste domaine d'activité pour les biohackers.
L'article scientifique a été
publié le 1er septembre 2017 dans la revue
Science (doi: 10.1126 / science.aan6349,
pdf ).