Научные достижения химического факультета
05.04.2021

Расшифрован природный механизм создания углеводородов

Большая французская коллаборация ученых вместе коллегами из Германии, США и с квантовым химиком из МГУ к.х.н. Татьяной Домрачевой расшифровала механизм работы одного из редких и важных природных соединений – фотофермента FAP. Фермент занимается тем, что превращает жирные кислоты в предельные углеводороды. Результат работы опубликован в журнале Science.

Природные фотоферменты – исключительные по своей важности молекулы. Хотя в живой природе редко встречается применение солнечного света для катализа химических реакций, все известные фотоферменты играют ключевую роль в развитии живых организмов в таких процессах как фотосинтез и сохранение генетической информации.  Ученые знают только о трёх природных ферментах, работающих как фотокатализаторы. Первый – это ДНК-фотолиаза, которая участвует в ремонте ДНК, поврежденной ультрафиолетом. Второй фермент – LPOR – отвечает за последнюю стадию синтеза молекулы хлорофилла. Прежде чем говорить о третьем, стоит осознать то, что только за исследования перечисленных веществ и механизмов как минимум пять раз вручались Нобелевские премии по химии – в 1915, 1961, 1980, 1988, и 2015 годах.

Третий фермент называется FAP, что расшифровывается как фотодекарбоксилаза жирных кислот. Его открыли французские ученые в 2016 году. FAP встречается, в частности, в одноклеточных водорослях. И пока ученые в делалях не знали, как именно с его помощью жирные кислоты в одну стадию превращаются в предельные углеводороды. "Знать механизм реакции, которую катализирует FAP, важно не только с точки зрения фундаментальной науки, но и для потенциального использования фотокатализа в биотехнологии, -- рассказывает с.н.с. кафедры физической химии химического факультета МГУ, к.х.н. Татьяна Домрачева. – Во-первых, жирные кислоты присутствуют во всех живых организмах. И используя данную реакцию, мы получаем возобновляемый источник самых энергетически насыщенных углеводородов – предельных. Причем, речь идёт о реакции одностадийной, что критически важно для промышленных процессов. Реакция проходит в водной среде, что избавляет нас от органических растворителей и полностью соответствует принципам "Зелёной химии". Во-вторых, это ещё один важный шаг к пониманию механизмов так называемого углеводородного цикла, который описывает механизмы превращения углеводородных запасов в мировом океане. В-третьих, мы столкнулись с тем, что, возможно, сложные органические молекулы могут функционировать при помощи нескольких параллельных механизмов. Это ставит под сомнение некоторые представления о биохимических реакциях, существующие в научной среде, и требует отдельного осмысления".

Чтобы детально понять механизм работы FAP, группа ученых из 12 ведущих французских, германских, американских университетов и МГУ работала больше трёх лет, рассказывает Татьяна Домрачева: "Коллеги изучали систему практически всеми возможными методами, кроме, пожалуй, спиновых исследований. Моя же задача как квантового химика состояла в том, чтобы на основе получаемых данных, используя методы компьютерной химии, определить наиболее вероятный механизм реакции".

В результе совместной работы был собран обширный материал, который авторы решили не делить на отдельные статьи, и опубликовать целиком. "Нам кажется, что подобный подход критически важен в современных условиях, когда опубликовать статью стало намного проще. При дроблении материала появляется слишком много предварительных версий и интерпретаций. Наш подход заключался в том, чтобы собрать в одну большую команду ведущих специалистов, изучающих функционирование биологических молекул различными физико-химическими методами, и максимально полно исследовать систему в рамках тесного взаимодействия".

Сейчас французские коллеги работают над созданием на основе FAPбиотехнологической системы для одностадийного синтеза длинноцепочечных углеводородов, так как современные технологии вполне позволяют вывести работу фермента на промышленный уровень. К тому же, понимая механизм работы FAP, можно модифицировать фермент, улучшив его свойства и сделав более удобным в применении.

На фото: с.н.с. кафедры физической химии и НИЛ квантовой химии и молекулярного моделирования химического факультета МГУ к.х.н. Татьяна Домрачева Автор фото: Александра Кучерова/пресс-служба химического факультета МГУ