Структурные особенности фотофермента, который называется фотодекарбоксилаза жирных кислот (FAP) со светочувствительным элементом FAD

Свет вовлечён во многие биологические процессы, которые идут в живых организмах, независимо от наличия фотосинтеза. Это такие процессы как рост, развитие, метаболизм и суточные биоритмы. В большинстве случаев свет влияет на клеточную физиологию через «посредников» — фотоактивные белки, в том числе светочувствительные ионные каналы, фоторецепторы, светособирающие комплексы и светозависимые ферменты. Последние можно разделить на два типа: 1) ферменты с фотоактивацией, которым нужна только кратковременная вспышка света, чтобы перейти в активное состояние; 2) фотоферменты, которым требуется постоянный поток фотонов для поддержания каталитической функции. Фактически, последние работают на фотонах как на топливе.

Фотоферменты — редкий тип катализаторов. В природе есть только два семейства белков такого типа: ДНК-фотолиаза, которая у многих организмов ремонтирует ДНК поле повреждения ультрафиолетом, и протохлорофиллид.

Фотоферменты — очень полезные инструменты в биотехнологиях. Их применяют для наблюдения быстрых ферментных процессов в реальном времени, как вспомогательное звено в проектировании других ферментов и в оптогенетике, когда конкретные нейронные связи в мозге подавляются или активируются по световой команде.

В то же время учёные известны микроводоросли, вроде Chlorella variabilis NC64A или Chlamydomonas reinhardtii 137C, которые преобразуют длинные цепочки жирных кислот в алканы (насыщенные углеводороды) или ненасыщенные углеводороды, причём этот процесс зависит от наличия света.

Группе учёных из Института бионаук и биотехнологий при Университете Экс-Марсель (Франция) удалось выделить конкретный фотофермент, который осуществляет синтез алканов в зелёной микроводоросли Chlorella variabilis.

Важность открытия трудно переоценить, потому что фотоферменту не требуются вообще никакие другие факторы для синтеза алканов, кроме жира и солнечного света. Этот фермент можно внедрить в другие живые организмы, в том числе в бактерии, и использовать в промышленности.

Изучение светочувствительности фотофермента показало, что он наиболее чувствителен к свету с длиной волны 450-500 нм (синий свет), с максимумом на 467 нм.



Активность фермента растёт в прямой зависимости от освещённости. На графике слева внизу показана зависимость от освещённости белым светом, а справа внизу — зависимость количества углеводородов в клетках C. reinhardtii, выращенных в биореакторе под воздействием синего и красного света.



Авторы научной работы дали новому ферменту название FAP — fatty acid photodecarboxylase, то есть фотодекарбоксилаза жирных кислот. Декарбоксилированием называется процесс отщепления карбоксильной группы аминокислот в виде CO₂, так что этот фермент — самая настоящая декарбоксилаза.

Место FAP в эволюции показано на филогенетическом дереве.



Таким образом, обнаружен ещё один фермент, который образует углеводороды в процессе своей жизнедеятельности. До настоящего времени был известен ряд ферментов с такой функциональностью: это оксидоредуктазы и поликетиды в цианобактерии, десатуразоподобные белки CER1 и CER3 в растениях, цитохром P450s в бактерии Jeotgalicoccus sp. ATTC8456 и у насекомых, а также дижелезные оксидоредуктазы в бактерии Pseudomonas aeruginosa. Новые фотоферменты присоединяются к их числу. Ферменты такого типа могут быть довольно редкими, потому что эволюция не поощряет химические реакции, зависимые от света.

Учёные подчёркивают, что из разнообразия ферментов, которые образуют углеводороды, видно, что свет необязателен для такой реакции. Поэтому остаётся лишь предполагать, почему FAP работает именно на фотонах. Возможно, это связано с внутриклеточной функцией ферментов. Вероятно, такая функция появилась после первичного эндосимбиоза, сохранилась после вторичного эндосимбиоза, но была потеряна у растений. Сохранение её у водорослей указывает на некую специфичную функцию, присущую именно этим организмам.

Открытие нового фотофермента показывает, что в живых организмах катализ под воздействием света не ограничивается только процессами поглощения света и ремонтом ДНК. Фотоны подходят и для получения углеводородов.

Более того, авторы предполагают, что фотофермент можно слегка модифицировать для выполнения других химических реакций — тут большое поле деятельности для биохакеров.

Научная статья опубликована 1 сентября 2017 года в журнале Science (doi:10.1126/science.aan6349, pdf).