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盡管很多生命體都能感應(yīng)光，甚至有不少離開陽光無法生存，但它們體內(nèi)作為“生物催化劑”的酶卻很少可以直接利用光能來催化生物化學(xué)反應(yīng)。不過，“很少”不代表“沒有”，zui近就有幸運(yùn)的法國研究者發(fā)現(xiàn)了一種新的光能酶（photoenzyme）——脂肪酸光脫羧酶（fatty acid photodecarboxylase，F(xiàn)AP）。這種酶可以吸收和利用藍(lán)光，催化脂肪酸脫去羧基變成烷烴或烯烴。相關(guān)工作發(fā)表在 Science 雜志上。

可能有人會(huì)奇怪，生物利用光為能源發(fā)生化學(xué)反應(yīng)很常見啊，比如zuizui平常的光合作用。沒錯(cuò)，不過光合作用依靠的是多個(gè)組分組成的復(fù)合物——光系統(tǒng) I 或 II，而 FAP 的特別之處在于獨(dú)立、直接利用光能，它是一個(gè)“孤膽英雄”。另外一類可以利用光能的酶是 DNA 光裂合酶（photolyase），主要作用是修復(fù)生物體在紫外線照射下受損的 DNA。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的 Fred Beisson 教授供職于法國原子能和替代能源委員會(huì)（CEA）的艾克斯 - 馬賽生物科學(xué)及生物技術(shù)研究所（BIAM）。這項(xiàng)研究zui初的目標(biāo)其實(shí)并不是發(fā)現(xiàn)一類新的“光能酶”。Beisson 和同事們發(fā)現(xiàn)有幾種微藻（包括 Chlorella variabilis）能夠在光照條件下將長(zhǎng)鏈脂肪酸轉(zhuǎn)化成烷烴或烯烴，但他們將這些微藻的基因分析來分析去，也沒有發(fā)現(xiàn)與其他生物中的烴合成酶相似的基因。這一結(jié)果讓他們感到非常困惑，直到發(fā)現(xiàn) FAP。研究者隨后對(duì)這種光依賴反應(yīng)過程的機(jī)理產(chǎn)生了興趣，不過 Beisson 說他們一開始“想都沒有想過”FAP 能夠直接利用光能進(jìn)行催化，他們“一度懷疑是 FAP 的蛋白質(zhì)或 mRNA 的體內(nèi)合成過程受到光的調(diào)控”。

Fred Beisson 教授。圖片來源：BIAM

為了進(jìn)一步研究 FAP 的活性，研究者表達(dá)并純化了 FAP 蛋白。質(zhì)譜分析結(jié)果顯示，F(xiàn)AP 中包含一個(gè)黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD），而 FAD 通常是生物化學(xué)反應(yīng)中的氧化還原輔因子。在不同波長(zhǎng)的可見光下，研究者比較了酶活性的差別，發(fā)現(xiàn) FAP 在藍(lán)光（400 nm 至 520 nm）下有活性。這個(gè)波長(zhǎng)范圍正是 FAD 的吸收范圍，而且光照后反應(yīng)立刻發(fā)生，關(guān)閉光源之后反應(yīng)立刻停止，于是研究者推測(cè)，F(xiàn)AD 在酶催化中起到了光捕獲的作用，并以所獲光能驅(qū)動(dòng)反應(yīng)發(fā)生。研究者隨后進(jìn)行了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究，以棕櫚酸（PLM）為底物，得到了 FAP-FAD-PLM 的立體結(jié)構(gòu)（下圖），其中 FAP 的脂肪酸結(jié)合位點(diǎn)所在的疏水通道正通向捕獲光的 FAD。

FAP 的晶體結(jié)構(gòu)示意圖。圖片來源：Science

進(jìn)一步研究之后，研究者認(rèn)為在 FAP 催化反應(yīng)時(shí)，F(xiàn)AD 會(huì)吸收藍(lán)光變成激發(fā)態(tài)，從 C12-C18 脂肪酸分子的羧基攫取一個(gè)電子，然后發(fā)生脫羧反應(yīng)，產(chǎn)生烷烴或烯烴。飽和脂肪酸底物反應(yīng)后得到烷烴而不是烯烴，這說明 FAP 并不會(huì)在碳鏈末端引入雙鍵。另外，F(xiàn)AP 的活性口袋尺寸決定了催化 C16 或 C17 脂肪酸轉(zhuǎn)化的效率zui高。

FAP 中 FAD 吸收光能催化脫羧反應(yīng)的過程。圖片來源：Science

雖然人類需求量zui大的烴類化合物不是 C10 以上的有機(jī)分子，但這一發(fā)現(xiàn)仍然具有很好的應(yīng)用前景。烷烴和烯烴對(duì)人類來說既是zui重要的燃料也是zui基礎(chǔ)的化工原料，但到目前為止人類幾乎只能通過開采石油和天然氣才能獲得這些物質(zhì)，而這些資源。相比之下，從動(dòng)植物油脂中獲取的脂肪酸更加“綠色”、“可持續(xù)”。這一成果的應(yīng)用方式，一種是先廉價(jià)獲得長(zhǎng)鏈烷烴或烯烴再進(jìn)行裂解。而更吸引人的方式是以 FAP 為藍(lán)本，在弄清楚機(jī)理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)能夠直接利用光能催化短鏈脂肪酸脫羧的人造酶。這將使燃料的生物合成成為可能，而且利用光能也使得生產(chǎn)過程更加節(jié)能環(huán)保。

Beisson 教授等人的工作給這個(gè)富礦開了一個(gè)小口，希望科學(xué)家們下一步能發(fā)現(xiàn)更多 FAP 這樣的光能酶，或者為新型光催化劑的設(shè)計(jì)提供更貼近實(shí)用的思路，從而為解決“能源危機(jī)”找到一條新路。