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盡管很多生命體都能感應光，甚至有不少離開陽光無法生存，但它們體內作為“生物催化劑”的酶卻很少可以直接利用光能來催化生物化學反應。不過，“很少”不代表“沒有”，zui近就有幸運的法國研究者發現了一種新的光能酶（photoenzyme）——脂肪酸光脫羧酶（fatty acid photodecarboxylase，FAP）。這種酶可以吸收和利用藍光，催化脂肪酸脫去羧基變成烷烴或烯烴。相關工作發表在 Science 雜志上。
可能有人會奇怪，生物利用光為能源發生化學反應很常見啊，比如zuizui平常的光合作用。沒錯，不過光合作用依靠的是多個組分組成的復合物——光系統 I 或 II，而 FAP 的特別之處在于獨立、直接利用光能，它是一個“孤膽英雄”。另外一類可以利用光能的酶是 DNA 光裂合酶（photolyase），主要作用是修復生物體在紫外線照射下受損的 DNA。
領導這項研究的 Fred Beisson 教授供職于法國原子能和替代能源委員會（CEA）的艾克斯 - 馬賽生物科學及生物技術研究所（BIAM）。這項研究zui初的目標其實并不是發現一類新的“光能酶”。Beisson 和同事們發現有幾種微藻（包括 Chlorella variabilis）能夠在光照條件下將長鏈脂肪酸轉化成烷烴或烯烴，但他們將這些微藻的基因分析來分析去，也沒有發現與其他生物中的烴合成酶相似的基因。這一結果讓他們感到非常困惑，直到發現 FAP。研究者隨后對這種光依賴反應過程的機理產生了興趣，不過 Beisson 說他們一開始“想都沒有想過”FAP 能夠直接利用光能進行催化，他們“一度懷疑是 FAP 的蛋白質或 mRNA 的體內合成過程受到光的調控”。
Fred Beisson 教授。圖片來源：BIAM
為了進一步研究 FAP 的活性，研究者表達并純化了 FAP 蛋白。質譜分析結果顯示，FAP 中包含一個黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD），而 FAD 通常是生物化學反應中的氧化還原輔因子。在不同波長的可見光下，研究者比較了酶活性的差別，發現 FAP 在藍光（400 nm 至 520 nm）下有活性。這個波長范圍正是 FAD 的吸收范圍，而且光照后反應立刻發生，關閉光源之后反應立刻停止，于是研究者推測，FAD 在酶催化中起到了光捕獲的作用，并以所獲光能驅動反應發生。研究者隨后進行了蛋白質結構研究，以棕櫚酸（PLM）為底物，得到了 FAP-FAD-PLM 的立體結構（下圖），其中 FAP 的脂肪酸結合位點所在的疏水通道正通向捕獲光的 FAD。
FAP 的晶體結構示意圖。圖片來源：Science
進一步研究之后，研究者認為在 FAP 催化反應時，FAD 會吸收藍光變成激發態，從 C12-C18 脂肪酸分子的羧基攫取一個電子，然后發生脫羧反應，產生烷烴或烯烴。飽和脂肪酸底物反應后得到烷烴而不是烯烴，這說明 FAP 并不會在碳鏈末端引入雙鍵。另外，FAP 的活性口袋尺寸決定了催化 C16 或 C17 脂肪酸轉化的效率zui高。
FAP 中 FAD 吸收光能催化脫羧反應的過程。圖片來源：Science
雖然人類需求量zui大的烴類化合物不是 C10 以上的有機分子，但這一發現仍然具有很好的應用前景。烷烴和烯烴對人類來說既是zui重要的燃料也是zui基礎的化工原料，但到目前為止人類幾乎只能通過開采石油和天然氣才能獲得這些物質，而這些資源。相比之下，從動植物油脂中獲取的脂肪酸更加“綠色”、“可持續”。這一成果的應用方式，一種是先廉價獲得長鏈烷烴或烯烴再進行裂解。而更吸引人的方式是以 FAP 為藍本，在弄清楚機理的基礎上，設計能夠直接利用光能催化短鏈脂肪酸脫羧的人造酶。這將使燃料的生物合成成為可能，而且利用光能也使得生產過程更加節能環保。
Beisson 教授等人的工作給這個富礦開了一個小口，希望科學家們下一步能發現更多 FAP 這樣的光能酶，或者為新型光催化劑的設計提供更貼近實用的思路，從而為解決“能源危機”找到一條新路。
