詹妮弗·休伯，美国国家加速器实验室 一项使用SLAC LCLSx光激光的研究捕捉到了光如何驱动一种叫做FAP的酶的一系列复杂结构变化，这种酶催化脂肪酸转化为溶剂和燃料的起始成分
该图显示了催化反应的起始状态
深绿色背景代表蛋白质支架
这种酶的感光部分被称为FAD辅因子，显示在右中央，它的三个环吸收来自左下方的光子
左上角的一种脂肪酸正在等待转化
左中所示的氨基酸在催化循环中起着重要作用，靠近中心的红点是水分子
荣誉:达米安·索利古/艾克斯-马赛大学 尽管许多生物捕捉阳光并对其做出反应，但酶——催化生物化学反应的蛋白质——很少受到光的驱动
到目前为止，科学家们只发现了三种类型的天然光酶
最新的发现于2017年，是脂肪酸光羧化酶(FAP)
它来源于微小的藻类，利用蓝光催化脂肪和油中的脂肪酸转化为烷烃和烯烃
“越来越多的实验室设想将FAP用于绿色化学应用，因为烷烃和烯烃是溶剂和燃料的重要成分，包括汽油和喷气燃料
格勒诺布尔阿尔卑斯大学生物结构研究所的研究小组组长马丁·维克说:“脂肪酸转化为烷烃或烯烃只需一步就能完成。”
维克是一项新研究的主要研究者，这项研究捕捉到了FAP在光的作用下经历的一系列复杂的结构变化，这种变化被称为光循环，它驱动着脂肪酸的转化
尽管研究人员先前提出了一个FAP光循环，但其基本机制还不清楚
科学家们不知道脂肪酸失去羧酸盐需要多长时间，羧酸盐是一种附着在碳氢化合物长链末端的化学基团，是形成烯烃或烷烃的关键一步
在SLAC科学家的合作下，在能源部SLAC国家加速器实验室的直线加速器相干光源(LCLS)的实验帮助回答了许多这些突出的问题
研究人员在《科学》杂志上描述了他们的结果
工具箱里的所有工具 为了理解像FAP这样的光敏酶，科学家们使用许多不同的技术来研究在很宽的时间范围内发生的过程——因为光子吸收发生在几十亿分之一秒，而分子水平上的生物反应通常发生在几千分之一秒
维克说:“我们的国际跨学科联盟，由马赛艾克斯大学的弗雷德里克·贝森领导，使用了大量的技术，包括光谱学、结晶学和计算方法。”
“正是这些不同结果的总和，让我们第一次看到了这种独特的酶是如何作为时间和空间的函数而工作的
" 该联盟首先在自己的实验室里用光学光谱方法研究了催化过程的复杂步骤，研究了样品中原子的电子和几何结构，包括化学键和电荷
光谱实验确定了伴随每一步的酶的中间状态，测量了它们的寿命，并提供了关于它们化学性质的信息
这些结果激发了对LCLS超快能力的需求
接下来，通过LCLS X光自由电子激光器(XFEL)的系列飞秒结晶学(SFX)提供了催化过程的结构图
在这些实验中，一束微小的FAP微晶被激光脉冲击中，引发催化反应，随后是极短的超亮x光脉冲，以测量酶结构的变化
通过整合成千上万个这样的测量结果——利用光脉冲和x光脉冲之间的各种时间延迟获得——研究人员能够跟踪酶随时间的结构变化
他们还通过不用光学激光探测来确定酶的静止状态的结构
令人惊讶的是，研究人员发现，在静止状态下，这种酶的感光部分，称为FAD辅因子，具有弯曲的形状
“这个辅因子就像天线一样捕捉光子
它吸收蓝光并启动催化过程，”维克说
“我们认为FAD辅因子的起点是平面的，所以这种弯曲的配置是意想不到的
" FAD辅因子的弯曲形状实际上是由欧洲同步加速器辐射设施的x光结晶学首次发现的，但科学家怀疑这种弯曲是辐射损伤的假象，这是同步加速器光源收集的结晶学数据的一个常见问题
维克说，只有SFX实验能够证实这种不寻常的结构，因为它们在破坏样本之前能够捕捉结构信息
“这些实验得到了计算的补充，”他补充道，“没有莫斯科国立大学的塔蒂亚娜·多姆拉切娃进行的高级量子计算，我们就不会理解我们的实验结果。”
" 后续步骤 尽管对FAP光周期的理解有所提高，但仍有未解的问题
例如，研究人员知道二氧化碳是在特定时间和地点的催化过程的某个步骤中形成的，但他们不知道它离开酶时的状态
“在未来的XFEL工作中，我们希望确定产品的性质，并以更小的步长拍摄过程的照片，以便以更精细的细节解决过程，”魏克说
“这对于基础研究很重要，但它也可以帮助科学家修改酶来完成特定应用的任务
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