Photoenzyme menemukan bahwa mengubah asam lemak menjadi hidrokarbon ketika terkena cahaya

Fitur Struktural Photoenzyme yang disebut Fatty Acid Photodecarboxylase (FAP) dengan FAD Fotosensitif Elemen

Cahaya terlibat dalam banyak proses biologis yang terjadi pada organisme hidup, terlepas dari adanya fotosintesis. Ini adalah proses seperti pertumbuhan, perkembangan, metabolisme dan bioritme harian. Dalam kebanyakan kasus, cahaya memengaruhi fisiologi seluler melalui "perantara" - protein photoaktif, termasuk saluran ion fotosensitif, fotoreseptor, kompleks pemanen cahaya, dan enzim yang bergantung pada cahaya. Yang terakhir dapat dibagi menjadi dua jenis: 1) enzim dengan photoactivation, yang hanya membutuhkan ledakan cahaya pendek untuk masuk ke keadaan aktif; 2) photoenzymes yang memerlukan fluks foton konstan untuk mempertahankan fungsi katalitik. Bahkan, yang terakhir beroperasi pada foton sebagai bahan bakar.

Photoenzym adalah jenis katalis yang langka. Di alam, hanya ada dua keluarga protein dari jenis ini: DNA photolyase, yang dalam banyak organisme memperbaiki bidang DNA kerusakan oleh sinar ultraviolet, dan protochlorophyllide.

Photoenzymes adalah alat yang sangat berguna dalam bioteknologi. Mereka digunakan untuk mengamati proses enzimatik cepat dalam waktu nyata, sebagai penghubung dalam desain enzim lain dan dalam optogenetika , ketika koneksi saraf spesifik di otak ditekan atau diaktifkan oleh perintah ringan.

Pada saat yang sama, para ilmuwan terkenal dengan mikroalga, seperti Chlorella variabilis NC64A atau Chlamydomonas reinhardtii 137C, yang mengubah rantai panjang asam lemak menjadi alkana (hidrokarbon jenuh) atau hidrokarbon tak jenuh, dan proses ini tergantung pada keberadaan cahaya.

Sekelompok ilmuwan dari Institut Bioscience dan Bioteknologi di Universitas Aix-Marseille (Prancis) berhasil mengisolasi fotoenzim spesifik yang mensintesis alkana dalam mikroalga hijau Chlorella variabilis .

Pentingnya penemuan ini sulit ditaksir terlalu tinggi karena tidak ada faktor lain yang diperlukan untuk sintesis alkana dalam koenzim kecuali lemak dan sinar matahari. Enzim ini dapat dimasukkan ke dalam organisme hidup lainnya, termasuk bakteri, dan digunakan dalam industri.

Sebuah studi tentang fotosensitifitas enzim menunjukkan bahwa itu paling sensitif terhadap cahaya dengan panjang gelombang 450-500 nm (cahaya biru), dengan maksimum pada 467 nm.



Aktivitas enzim meningkat dalam proporsi langsung ke paparan cahaya. Grafik di kiri bawah menunjukkan ketergantungan pada iluminasi dengan cahaya putih, dan kanan bawah menunjukkan ketergantungan jumlah hidrokarbon dalam sel C. reinhardtii yang tumbuh dalam bioreaktor di bawah pengaruh cahaya biru dan merah.



Para penulis karya ilmiah memberi enzim baru nama FAP - photodecarboxylase asam lemak, yaitu, photodecarboxylase dari asam lemak. Dekarboksilasi adalah proses pembelahan kelompok asam amino karboksil dalam bentuk CO ₂ , sehingga enzim ini adalah dekarboksilase nyata.

Tempat FAP dalam evolusi ditunjukkan pada pohon filogenetik.



Jadi, enzim lain ditemukan yang membentuk hidrokarbon selama hidupnya. Sampai sekarang, sejumlah enzim dengan fungsi seperti itu telah diketahui: oksidoreduktase dan polyketide pada cyanobacteria, protein mirip-desaturase CER1 dan CER3 pada tanaman, sitokrom P450 pada bakteri Jeotgalicoccus sp. ATTC8456 dan pada serangga, serta oksidoreduktase diabetes pada bakteri Pseudomonas aeruginosa . Photoenzymes baru bergabung dengan mereka. Enzim jenis ini bisa sangat langka, karena evolusi tidak mendorong reaksi kimia yang bergantung pada cahaya.

Para ilmuwan menekankan bahwa dari berbagai enzim yang membentuk hidrokarbon, jelas bahwa cahaya tidak diperlukan untuk reaksi semacam itu. Karena itu, tetap saja mengasumsikan mengapa FAP bekerja tepat pada foton. Mungkin ini disebabkan oleh fungsi enzim intraseluler. Mungkin, fungsi ini muncul setelah endosimbiosis primer, tetap setelah endosimbiosis sekunder, tetapi hilang pada tanaman. Konservasinya dalam ganggang menunjukkan fungsi spesifik tertentu yang melekat pada organisme ini.

Penemuan koenzim baru menunjukkan bahwa pada organisme hidup, katalisis di bawah pengaruh cahaya tidak terbatas hanya pada proses penyerapan cahaya dan perbaikan DNA. Foton juga cocok untuk menghasilkan hidrokarbon.

Selain itu, penulis menyarankan bahwa koenzim dapat sedikit dimodifikasi untuk melakukan reaksi kimia lainnya - ini adalah bidang kegiatan yang luas untuk biohackers.

Artikel ilmiah ini diterbitkan pada 1 September 2017 di jurnal Science (doi: 10.1126 / science.aan6349, pdf ).