Hoewel veel organismen zonlicht opvangen en erop reageren, enzymen - eiwitten die biochemische reacties katalyseren - worden zelden door licht aangedreven. Wetenschappers hebben tot nu toe slechts drie soorten natuurlijke foto-enzymen geïdentificeerd. De nieuwste, ontdekt in 2017, is vetzuurfotodecarboxylase (FAP). Afgeleid van microscopisch kleine algen, het gebruikt blauw licht om de omzetting van vetzuren te katalyseren, gevonden in vetten en oliën, in alkanen en alkenen.

"Een groeiend aantal laboratoria overweegt FAP's te gebruiken voor groene chemietoepassingen, omdat alkanen en alkenen belangrijke componenten zijn van oplosmiddelen en brandstoffen, inclusief benzine en vliegtuigbrandstoffen. En de transformatie van vetzuren in alkanen of alkenen gebeurt in een enkele stap in het enzym, " zegt Martin Weik, de leider van een onderzoeksgroep aan het Institute of Biologie Structurale aan de Universite Grenoble Alpes.

Weik is een primaire onderzoeker van een nieuwe studie die de complexe opeenvolging van structurele veranderingen heeft vastgelegd die FAP ondergaat als reactie op licht, een fotocyclus genoemd, die deze vetzuurtransformatie aandrijft. Hoewel onderzoekers eerder een FAP-fotocyclus voorstelden, het fundamentele mechanisme werd niet begrepen. De wetenschappers wisten niet hoe lang het duurde voordat een vetzuur zijn carboxylaat verloor, de chemische groep bevestigd aan het einde van zijn lange keten van koolwaterstoffen, een cruciale stap bij het vormen van alkenen of alkanen.

In samenwerking met SLAC-wetenschappers, experimenten bij de Linac Coherent Light Source (LCLS) van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy hebben geholpen bij het beantwoorden van veel van deze openstaande vragen. De onderzoekers beschrijven hun resultaten in Wetenschap .

Alle tools in een toolbox

Om een ​​lichtgevoelig enzym zoals FAP te begrijpen, wetenschappers gebruiken veel verschillende technieken om processen te bestuderen die plaatsvinden over een breed scala van tijdschalen - omdat fotonenabsorptie plaatsvindt in femtoseconden, of miljoenste van een miljardste van een seconde, terwijl biologische reacties op moleculair niveau vaak in duizendsten van een seconde plaatsvinden.

"Onze internationale, interdisciplinair consortium, onder leiding van Frederic Beisson aan de Université Aix-Marseille, een schat aan technieken gebruikt, inclusief spectroscopie, kristallografie en computationele benaderingen, " zegt Weik. "Het is de som van deze verschillende resultaten die ons in staat hebben gesteld een eerste glimp op te vangen van hoe dit unieke enzym werkt als een functie van tijd en in de ruimte."

Het consortium bestudeerde eerst de complexe stappen van het katalytische proces in hun thuislaboratoria met behulp van optische spectroscopiemethoden, die de elektronische en geometrische structuur van atomen in de monsters onderzoeken, inclusief chemische binding en lading. Spectroscopische experimenten identificeerden de tussenliggende toestanden van het enzym bij elke stap, hun levensduur gemeten en informatie verstrekt over hun chemische aard. Deze resultaten motiveerden de behoefte aan de ultrasnelle mogelijkheden van de LCLS.

Volgende, een structureel beeld van het katalytische proces werd verschaft door seriële femtoseconde kristallografie (SFX) met de LCLS X-ray free-electron laser (XFEL). Tijdens deze experimenten, een straal kleine FAP-microkristallen werd geraakt met optische laserpulsen om de katalytische reactie te starten, gevolgd door extreem korte, ultraheldere röntgenpulsen om de resulterende veranderingen in de structuur van het enzym te meten.

Door duizenden van deze metingen te integreren - verkregen met behulp van verschillende tijdsvertragingen tussen de optische en röntgenpulsen - waren de onderzoekers in staat om structurele veranderingen in het enzym in de loop van de tijd te volgen. Ze bepaalden ook de structuur van de rusttoestand van het enzym door te sonderen zonder de optische laser.

Verrassend genoeg, de onderzoekers ontdekten dat in de rusttoestand, het lichtgevoelige deel van het enzym, de FAD-cofactor genoemd, heeft een gebogen vorm. "Deze cofactor werkt als een antenne om fotonen op te vangen. Hij absorbeert blauw licht en zet het katalytische proces op gang, " zegt Weik. "We dachten dat het startpunt van de FAD-cofactor vlak was, dus deze gebogen configuratie was onverwacht."

De gebogen vorm van de FAD-cofactor werd eigenlijk voor het eerst ontdekt door röntgenkristallografie in de European Synchrotron Radiation Facility, maar de wetenschappers vermoedden dat deze bocht een artefact was van stralingsschade, een veelvoorkomend probleem voor kristallografische gegevens die zijn verzameld bij synchrotron-lichtbronnen. Alleen SFX-experimenten konden deze ongebruikelijke configuratie bevestigen vanwege hun unieke vermogen om structurele informatie vast te leggen voordat het monster wordt beschadigd. zegt Weik.

"Deze experimenten werden aangevuld met berekeningen, " hij voegt toe, "Zonder de hoogwaardige kwantumberekeningen uitgevoerd door Tatiana Domratcheva van de Staatsuniversiteit van Moskou, we zouden onze experimentele resultaten niet hebben begrepen."

Volgende stappen

Ondanks het verbeterde begrip van de fotocyclus van FAP, onbeantwoorde vragen blijven. Bijvoorbeeld, onderzoekers weten dat koolstofdioxide wordt gevormd tijdens een bepaalde stap van het katalytische proces op een specifieke tijd en locatie, maar ze kennen de toestand niet als het het enzym verlaat.

"In toekomstig XFEL-werk, we willen de aard van de producten identificeren en foto's maken van het proces met een veel kleinere stapgrootte om het proces in veel fijner detail op te lossen, ", zegt Weik. "Dit is belangrijk voor fundamenteel onderzoek, maar het kan wetenschappers ook helpen het enzym aan te passen om een ​​taak voor een specifieke toepassing uit te voeren."