Grøn kemi og biobrændstof:Mekanismen for et centralt fotoenzym dekrypteret

Funktionen af ​​enzymet FAP, nyttig til produktion af biobrændstoffer og til grøn kemi, er blevet dekrypteret. Dette resultat mobiliserede et internationalt hold af videnskabsmænd, herunder mange franske forskere fra CEA, CNRS, Inserm, École Polytechnique, universiteterne i Grenoble Alpes, Paris-Saclay og Aix Marseille, samt European Synchrotron (ESRF) og synchrotron SOLEIL. Undersøgelsen er publiceret i Videnskab den 09 april, 2021.

Forskerne dekrypterede driftsmekanismerne for FAP (Fatty Acid Photodecarboxylase), som er naturligt til stede i mikroskopiske alger som Chlorella. Enzymet var blevet identificeret i 2017 som i stand til at bruge lysenergi til at danne kulbrinter fra fedtsyrer produceret af disse mikroalger. For at opnå dette nye resultat, forskerhold brugte et komplet eksperimentelt og teoretisk værktøjskasse.

Det er vigtigt at forstå, hvordan FAP virker, fordi dette fotoenzym åbner en ny mulighed for bæredygtig produktion af biobrændstof fra fedtsyrer, der naturligt produceres af levende organismer. FAP er også meget lovende for at producere forbindelser med høj værditilvækst til finkemi, kosmetik og farmaceutik.

Ud over, på grund af deres lys-inducerede reaktion, fotoenzymer giver adgang til ultrahurtige fænomener, der opstår under enzymatiske reaktioner. FAP giver derfor en unik mulighed for i detaljer at forstå en kemisk reaktion, der finder sted i levende organismer.

Mere specifikt, i dette arbejde, forskere viser, at når FAP er belyst og absorberer en foton, en elektron fjernes på 300 picosekunder fra den fedtsyre, som algerne producerer. Denne fedtsyre dissocieres derefter i en kulbrinteprecursor og kuldioxid (CO ₂ ). Det meste af CO ₂ genereret omdannes derefter i 100 nanosekunder til bicarbonat (HCO ₃ -) inden for enzymet. Denne aktivitet bruger lys, men forhindrer ikke fotosyntese:flavinmolekylet i FAP, som absorberer fotonen, er bøjet. Denne konformation flytter molekylets absorptionsspektrum mod det røde, så den bruger fotoner, der ikke bruges til mikroalgernes fotosyntetiske aktivitet.

Det er den kombinerede fortolkning af resultaterne af forskellige eksperimentelle og teoretiske tilgange fra det internationale konsortium, der giver den detaljerede, atomskala billede af FAP på arbejde. Denne tværfaglige undersøgelse kombinerede bioingeniørarbejde, optisk og vibrationsspektroskopi, statisk og kinetisk krystallografi udført med synkrotroner eller en røntgenfri elektronlaser, samt kvantekemiberegninger.