意想不到的自催化效应使光驱动酶促进合成绿色燃料

藻类中发现的一种酶已被证明能有效地将中链脂肪酸(8到10个碳原子长)转化为类似汽油的中链碳氢化合物。这项工作为从植物和藻类衍生的脂肪酸中制造绿色燃料带来了新的希望。

2017年，法国研究人员发现脂肪酸光脱羧酶(FAP)在绿色微藻小球藻摘要。FAP被发现可以优化去除C16-C18长链脂肪酸底物中的羧基并产生碳氢化合物。作为少数已知的利用光启动生化反应的天然光酶之一，它的发现引发了人们对其生产用于燃料、化学品和化妆品的环保、碳中性碳氢化合物的潜力的兴趣。

脂肪酸存在于脂肪、油和所有活细胞的细胞膜中。它们由一个脂肪链和一个羧基组成。FAP的共同发现者解释说:“只用一种酶和阳光的能量就能将脂肪酸脱羧，这是一种非常优雅、简单、可能也是最环保的碳氢化合物燃料生产方式。帕维尔•穆勒法国巴黎萨克雷大学。

与化石燃料不同，通过脂肪酸脱羧获得的碳氢燃料将是碳中性的，因为它们释放的二氧化碳将被新的脂肪酸生物合成所抵消。然而，随后的研究表明，FAP不太可能是C5至C12短链和中链脂肪酸(液体燃料中的范围)的有效催化剂。这是因为这些链没有被FAP正确地结合，并且倾向于漂移离开活性位点，这导致了更低的量子产率——一个过程如何有效地利用光的衡量标准。

现在，Muller和他的同事们发现了一种意想不到的、以前未知的自催化效应，它提高了FAP在中链底物上的效率。当研究人员使用时间分辨光谱来更好地理解中链C7到C12脂肪酸的光脱羧时，他们观察到初始烷烃产物似乎促进了进一步脂肪酸底物的脱羧。这在C8底物中最为明显。

烷烃产物似乎通过填补通常由长链填补的空隙，帮助短链留在酶的活性位点上。这启发了进一步的实验，实验表明，从反应一开始就可以添加烷烃作为辅催化剂，使中链C7至C12脂肪酸的脱羧量子产率得以实现，而以前只能在长链脂肪酸中实现。

“因此，这导致C8和天然C16或C18脂肪酸的量子产率相当，”Müller解释道。“另一个令人惊讶的现象是，FAP对C8底物的脱羧作用不仅与C16脂肪酸一样有效，而且在体内的效率高出一个数量级。”

“这项研究表明，当使用比酶在生理条件下看到的底物更小的底物时，添加小分子可以对催化产生有益的影响，”评论道奈杰尔Scrutton他在英国曼彻斯特大学研究酶催化。“这是一个有趣的发现，但碳氢化合物在生物技术中的生物合成所带来的好处还有待观察。”

Müller说:“我们的最终目标是设计光稳定的FAP突变体，对生产碳氢燃料所需的短链和中链脂肪酸非常有效。”然而，他承认目前生物工程fap的性能和光稳定性还不令人满意。“我们计划通过生物工程优化FAP酶，使其在中等长度的底物上高效，因此适用于生物基生产类似汽油的液体C5-C11烷烃。”