人类通常从饮食中摄取所需的大部分脂肪酸。尽管如此，脂肪酸的生物合成仍然是一个重要的代谢途径。对于酵母和细菌来说，它甚至是不可或缺的。
在酵母和高等生物中，由不同酶组成的大型多聚体复合物催化脂肪酸的生物合成，而细菌中的对应物则由单个蛋白代表。虽然脂肪酸生物合成分子机器的结构在不同有机体内有很大差异，但是催化的反应和单个酶模块彼此相似。
深入了解脂肪酸合成工厂的结构和化学性质
在一项新的研究中，德国马克斯普朗克多学科科学研究所结构动力学系主任Holger Stark和马克斯普朗克多学科科学研究所结构生物化学与机理研究组组长Ashwin Chari领导的一个研究团队首次以前所未有的分辨率（1.9埃米）解析了酵母脂肪酸合酶（fatty acid synthase, FAS）的三维结构。相关研究结果发表在2023年11月9日的Cell期刊上，论文标题为“Reconstruction of a fatty acid synthesis cycle from acyl carrier protein and cofactor structural snapshots”。
Stark解释说，“在结构生物学中，超越2埃米的屏障对于理解细胞化学至关重要。我们揭示了酵母FAS 的最内部，可以观察到酶反应以及蛋白如何与小分子相互作用的化学细节。”
生物化学与高分辨率低温电镜的结合是这些作者取得成功的关键。在实验中，他们使用了世界上分辨率最高的电子显微镜，它能够分辨蛋白中的单个原子。
然而，仅以高精度观察酵母FAS 还不足以了解它的功能。与人类FAS类似，真菌 FAS 也是通过使用确定的化学前体分子，以循环、重复的方式在七个单独的反应步骤中合成脂肪酸。每个单独的化学步骤都由 FAS 内部的一个独立酶模块完成。
因此，不断生长的脂肪酸链必须以高效、有序的顺序从一个酶模块传送到另一个酶模块。分子穿梭机---所谓的酰基载体蛋白（acyl carrier protein, ACP）---执行着这一重要任务，并协调着脂肪酸生物合成所需的化学反应的编排。
观察这种分子穿梭机发挥作用
这些作者还拍摄了酵母FAS 的工作过程，并重建了一个完整的脂肪酸生物合成循环。为此，他们采用了多种方法来跟踪 ACP 穿过酵母FAS 迷宫的过程。起初，他们在试管中启动脂肪酸的生物合成，并在不同时间段后通过快速冷冻酵母FAS 分子来阻止它的活动，这样就能使酵母FAS 处于不同的脂肪酸生物合成状态。
然后，他们利用低温电镜对酵母FAS的脂肪酸生物合成周期的快照进行成像。Chari说，“找到底物的精确组合和数量，使酵母FAS 在脂肪酸生物合成周期的关键点停止下来，是一项重大的技术挑战。只有在所有相关步骤切换都能可视化观察并通过模型准确描述的情况下，我们才能重建整个脂肪酸的生物合成循环。”
图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.10.009。
下一步是通过计算机辅助阐明酵母FAS的三维结构。论文第一作者Kashish Singh解释了这一复杂的过程，“我们开发了图像处理程序，将酵母FAS分解成各个功能区。然后，我们以图像序列代表脂肪酸生物合成周期的方式对结构进行分类。在这些快照的帮助下，我们终于能够追踪较小的ACP 分子在脂肪酸合成过程中如何与酵母FAS 的某些位点和其他分子相互作用。”
医药和生物技术的潜力
莱布尼兹研究所德国微生物与细胞培养物收集有限公司部门主管Meina Neumann-Schaal报告说，这种分子也具有医学意义，“酵母 FAS中的 ACP 包含一个人类对应物所缺乏的结构区域”。
这使得该分子有望成为抑制同样利用酵母样FAS（即类似酵母FAS的FAS）的致病生物的起点。这些病原菌包括感染粘膜的白色念珠菌等致病酵母菌，以及导致结核病的分枝杆菌。由于多重耐药性结核病仍然对成功治疗构成挑战，因此迫切需要新的抑制剂。
这项新研究的另一项发现有可能被用于生物技术进步。这些作者提供证据表明可以在酵母FAS 中加入额外的酶模块来改变它的活性。Chari说，“正常情况下，酵母FAS合成短链脂肪酸和长链脂肪酸的混合物。未来，定制的FAS 可用来制造所需链长的脂肪酸。”
化学工业需要脂肪酸来生产化妆品、肥皂和香料等。值得注意的是，脂肪酸也是制药和生物燃料的组成部分。这些作者还看到了可持续生产脂肪酸的机会，即使用经过特殊改良的脂肪酸生物合成工厂，而不是像现在这样从原油或棕榈油中提取脂肪酸。
参考资料：
Kashish Singh et al. Reconstruction of a fatty acid synthesis cycle from acyl carrier protein and cofactor structural snapshots. Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.10.009.
Fatty acid factory filmed at work
https://phys.org/news/2023-11-fatty-acid-factory.html
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