Bilim adamları, potansiyel biyoyakıt uygulamalarına sahip bir yağ asidi enziminin şaşırtıcı davranışını ortaya çıkardı

Bilim adamları, potansiyel biyoyakıt uygulamalarına sahip bir yağ asidi enziminin şaşırtıcı davranışını ortaya çıkardı.

Mikroskobik alglerden elde edilen nadir, hafif tahrikli enzim, yağ asitlerini çözücüler ve yakıtlar için başlangıç bileşenlerine dönüştürür.

Birçok organizma güneş ışığını yakalayıp yanıt verse de, ışık tarafından yönlendirilen enzimleri – canlılarda kimyasal reaksiyonları destekleyen proteinleri – bulmak nadirdir. Bilim adamları şu ana kadar sadece üç tane tespit etti. 2017’de keşfedilen en yenisine yağ asidi fotokarboksilaz (FAP) adı verilir. Mikroskobik alglerden elde edilen FAP, yağ asitlerini ham petrolde bulunanlara benzer hidrokarbonlara dönüştürmek için mavi ışık kullanır.

Université Grenoble Alpes’teki Institut de Biologie Structurale’deki bir araştırma grubunun lideri Martin Weik, “Giderek artan sayıda araştırmacı, benzin ve jet yakıtları da dahil olmak üzere çözücülerin ve yakıtların önemli bileşenlerini verimli bir şekilde üretebilecekleri için yeşil kimya uygulamaları için SPP’leri kullanmayı öngörüyor.” diyor.

Weik, FAP’ın ışığa yanıt olarak geçirdiği ve bu yağ asidi dönüşümini yönlendiren karmaşık yapısal değişiklikler dizisini veya fotosikleti yakalayan yeni bir çalışmanın birincil araştırmacılarından biridir. Araştırmacılar olası bir FAP fotosikloplasını önermişti, ancak temel mekanizma anlaşılamadı, kısmen sürecin çok hızlı olması nedeniyle ölçmek çok zor. Özellikle, bilim adamları FAP’ın bir yağ asidinin bölünmesi ve bir hidrokarbon molekülü salınmasının ne kadar sürdüğünü bilmiyordu.

Enerji Bakanlığı’nın SLAC Ulusal Hızlandırıcı

Laboratuvarı’ndaki Linac Tutarlı Işık Kaynağı’ndaki(LCLS)deneyler, bu olağanüstü soruların çoğunun cevaplanarak yanıtlanmıştır. Araştırmacılar sonuçlarını Bilim.

SLAC’ın LCLS X-ışını lazeri kullanılarak yapılan bir çalışmada, ışığın FAP adı verilen bir enzimde bir dizi karmaşık yapısal değişikliği nasıl yönlendirdiği ve bu da yağ asitlerinin çözücüler ve yakıtlar için başlangıç bileşenlerine dönüşümini katalİze ettiği ortaya kondu. Bu çizim katalitik reaksiyonun başlangıç durumunu yakalar. Koyu yeşil arka plan proteinin moleküler yapısını temsil eder. Enzimin FAD kofaktörü olarak adlandırılan ışık algılama kısmı, sol alttan gelen bir fotonu emen üç halkasıyla merkez sağda gösterilir. Sol üstte bir yağ asidi dönüşümü bekliyor. Orta solda gösterilen amino asit katalitik döngüde önemli bir rol oynar ve merkeze yakın kırmızı nokta bir su molekülüdür. (Damien Sorigué/Université Aix-Marsilya)

Araç kutusundaki tüm araçlar

FAP gibi ışığa duyarlı bir enzimi anlamak için bilim adamları, çok çeşitli zaman ölçeklerinde gerçekleşen süreçleri incelemek için birçok farklı teknik kullanırlar. Örneğin, foton emilimi femtosaniyelerde veya saniyenin milyarda biri kadar olurken, moleküler düzeydeki biyolojik tepkiler genellikle saniyenin binde biri olarak gerçekleşir.

Weik, “Université Aix-Marseille’de Frédéric Beisson liderliğindeki uluslararası, disiplinler arası konsorsiyumumuz spektroskopi, kristalografi ve hesaplama yaklaşımları da dahil olmak üzere çok sayıda teknik kullandı”, diyor. “Bu farklı sonuçların toplamı, bu eşsiz enzimin zamanın ve uzayda nasıl çalıştığına dair ilk bakışı atmamızı sağladı.”

Konsorsiyum ilk olarak, numunelerdeki atomların elektronik ve geometrik yapısını araştıran optik spektroskopi yöntemlerini kullanarak, kimyasal yapıştırma ve şarj da dahil olmak üzere katalitik sürecin karmaşık adımlarını kendi laboratuvarlarında inceledi. Spektroskopik deneyler, enzimin her adıma eşlik eden, ömürlerini ölçen ve kimyasal doğaları hakkında bilgi veren ara durumlarını tanımladı. Bu sonuçlar, moleküler hareketi atomik hassasiyetle takip edebilen LCLS X-ışını serbest elektron lazerinin (XFEL) ultra hızlı yeteneklerine olan ihtiyacı ortaya koydu.

Katalitik işlem sırasında FAP molekülündeki değişikliklerin yapısal görünümü LCLS’deki seri femtosaniye kristalografi(SFX)ile sağlanmıştır. Bu deneyler sırasında, katalitik reaksiyonun başlaması için optik lazer darbeleriyle küçük FAP mikrokristallerinden oluşan bir jet vuruldu. Bu, tüm moleküllerin benzer bir zamanda tepki vermelerini sağlayarak davranışlarını senkronize etti ve süreci ayrıntılı olarak izlemeyi mümkün hale getirdi. Son derece kısa, ultra açık X-ışını darbeleri daha sonra enzimin yapısındaki değişiklikleri ölçtü.

Araştırmacılar, optik ve X-ışını darbeleri arasındaki çeşitli zaman gecikmeleri kullanılarak elde edilen bu ölçümlerden binlercesini entegre ederek enzimdeki yapısal değişiklikleri takip edebildiler. Ayrıca optik lazer olmadan yoklayarak enzimin dinlenme durumunun yapısını belirlediler.

Şaşırtıcı bir şekilde, araştırmacılar dinlenme durumunda, enzimin ışık algılayan kısmının bükülmüş bir şekle sahip olduğunu buldular. Weik, “FAD kofaktörü adı verilen bu küçük molekül, fotonları yakalamak için bir anten gibi davranan B2 vitamininin bir türevidir” diyor. “Mavi ışığı emer ve katalitik süreci başlatır. FAD kofaktörün başlangıç noktasının düzlemsal olduğunu düşündük, bu yüzden bu bükülmüş yapılandırma beklenmedikti.”

FAD kofaktörün bükülmüş şekli ilk olarak Avrupa Senkrotron Radyasyon Tesisi’ndeki X-ışını kristalografisi ile keşfedildi, ancak bilim adamları bu virajın senkrotron ışık kaynaklarında toplanan kristalografik veriler için yaygın bir sorun olan radyasyon hasarının bir eseri olduğundan şüphelenmişti.

Weik, “Sadece SFX deneyleri, örneğe zarar vermeden önce yapısal bilgileri yakalamadaki benzersiz yetenekleri nedeniyle bu olağandışı yapılandırmayı doğrulayabilir” diyor. “Bu deneyler hesaplamalarla tamamlandı. Moskova Devlet Üniversitesi’nden Tatiana Domratcheva tarafından gerçekleştirilen üst düzey kuantum hesaplamaları olmasaydı, deneysel sonuçlarımızı anlayamazdık.”

Sonraki adımlar

FAP’ın fotosikleti hakkında bu gelişmiş anlayışa rağmen, cevaplanmamış sorular devam ediyor. Örneğin, araştırmacılar karbondioksitin katalitik sürecin belirli bir adımı sırasında belirli bir zaman ve yerde oluştuğunu biliyorlar, ancak enzimden ayrılmadan önce başka bir moleküle dönüştürülip dönüştürülmediğini bilmiyorlar.

Weik, “Gelecekteki XFEL çalışmalarında, ürünlerin doğasını belirlemek ve süreci çok daha ince ayrıntılarla çözmek için çok daha küçük bir adım boyutuyla sürecin fotoğraflarını çekmek istiyoruz” diyor. “Bu temel araştırmalar için önemlidir, ancak bilim adamlarının belirli bir uygulama için bir görev yapmak için enzimi değiştirmelerine de yardımcı olabilir.”

Bu tür hassas deneyler, LCLS tesisine yapılacak ve nabız tekrar hızını saniyede 120 darbeden saniyede 1 milyon darbeye yükseltecek ve bilim adamlarının bunun gibi karmaşık süreçleri izleme yeteneğini dönüştürecek yükseltmelerle tam olarak etkinleştirilecektir.

Diğer araştırmacılar, propan ve bütan gibi gazları üretmek için ekonomik bir yol tasarlayan bir grup da dahil olmak üzere endüstriyel FAP uygulamaları için zaten çalışıyor.

Disiplinler arası konsorsiyumda Grenoble Yapısal Biyoloji Enstitüsü’nden araştırmacılar yer aldı. Heidelberg, Université Aix-Marseille’deki Max Planck Tıbbi Araştırma Enstitüsü, Paris-Palaiseau’daki Ecole Polytechnique, Paris-Saclay’deki Hücre Enstitüsü Bütünleştirici Biyolojisi, Moskova Devlet Üniversitesi, Grenoble ve Paris-Saclay’deki ESRF ve SOLEIL senkrotronları ve SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndaki ekip.

LCLS bir DOE Bilim Ofisi kullanıcı tesisidir. Bu çalışma için büyük fon Fransız Ulusal Araştırma Ajansı’ndan (ANR) geldi.

Atıf: D. Sorigué vd., Bilim, 9 Nisan 2021 (10.1126/science.abd5687)

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir