新发现的酶可将空气转化为电能，提供新的清洁能源

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　　多种好氧细菌利用大气中的H2作为生长和生存的能源。这一具有全球意义的过程调节大气成分，增强土壤生物多样性并推动极端环境中的初级生产。大气中的H2氧化归因于〔NiFe〕氢化酶超家族的未表征成员。然而，这些酶如何克服在环境水平的催化毒物O2中氧化皮摩尔水平的H2，以及衍生电子如何转移到呼吸链的非凡催化挑战仍未解决。
　　在这里，澳大利亚蒙纳士大学（MonashUniversity）的研究人员确定了耻垢分枝杆菌（Mycobacteriumsmegmatis）氢化酶Huc的低温电子显微镜结构并研究了其机制。
　　Huc是一种高效的氧不敏感酶，可将大气H2的氧化与呼吸电子载体甲萘醌的氢化结合。Huc使用狭窄的疏水气体通道以牺牲O2为代价选择性地结合大气中的H2，并且3〔3Fe4S〕簇调节酶的特性，因此大气中的H2氧化在能量上是可行的。
　　Huc催化亚基在膜相关茎周围形成八聚体833kDa复合物，它从膜上运输和还原甲萘醌94。这些发现为大气H2氧化这一具有生物地球化学和生态学意义的重要过程提供了机制基础，揭示了依赖于远距离醌传输的能量耦合模式，并为开发环境空气中H2氧化催化剂铺平了道路。
　　该研究以Structuralbasisforbacterialenergyextractionfromatmospherichydrogen为题，于2023年3月8日发布在《Nature》。
　　土壤对大气氢（H2）的氧化是塑造大气氧化还原状态的关键生物地球化学过程。直到最近，这还被认为是一个非生物过程，但现在人们认识到，来自至少九个门的多种好氧细菌氧化大气中的H2，并且每年合计占从大气中去除的H2总量的75（约60Tg）。
　　大气中的H2氧化为细菌提供了营养有限的土壤环境中的补充能量来源，使它们能够混合营养生长或单独在空气中以休眠但可存活的状态长期存在。例如，分枝杆菌细胞和链霉菌孢子通过有氧呼吸链，将电子从大气中的H2转移到O2，从而在饥饿中存活下来。氧化大气中H2的能力广泛存在于来自不同环境的细菌中，一些生态系统（例如极度干旱的极地土壤）似乎主要由大气能源驱动。
　　没有已知的化学催化剂可以氧化大气中的H2；这将需要选择性氧化存在于含有高浓度（21）催化毒物O2的大气中的低浓度底物（530ppbv）。第1组〔NiFe〕氢化酶构成膜结合H2氧化金属酶家族，支持细菌在富含H2的环境中的需氧和厌氧生长；然而，这些酶通常不能进行大气中的H2氧化，因为它们对H2的亲和力较低（米氏常数Km500nM）并且会被O2可逆或不可逆地抑制。
　　最近，已经确定了第1组和第2组〔NiFe〕氢化酶的几个高亲和力谱系，它们将大气H2衍生的电子输入有氧呼吸链。全细胞研究表明，这些酶对H2具有明显更高的表观亲和力（Km值为30至200nM）并且似乎对O2的抑制不敏感。然而，鉴于这些氢化酶尚未被分离，它们如何进化以选择性氧化H2、耐受暴露于O2并与电子传输链相互作用仍然未知。值得注意的是，负责大气H2氧化的氢化酶是否具有固有的高亲和力，或者它们的亲和力是否受到它们与呼吸链的相互作用的调节，这一点存在争议。
　　为了解决这些知识空白，澳大利亚蒙纳士大学的研究团队研究了好氧细菌耻垢分枝杆菌中大气H2氧化的结构和机制基础。这种细菌拥有2种系统发育上不同的氢化酶Huc（组2a）和Hhy（组1h）它们都能将H2氧化到低于大气压的水平。他们直接从耻垢分枝杆菌中分离出Huc，并确定了其氧化大气H2的结构和生化基础。
　　为了利用空气中存在的微量H2，微量气体清除细菌的〔NiFe〕氢化酶需要与在富含H2的缺氧或缺氧条件下起作用的对应物相比具有不同的特性。使用来自好氧细菌耻垢分枝杆菌的Huc的生化和电化学表征，实验表明所需的O2不敏感性和对H2的高亲和力是这种氢化酶所固有的，而不是由于与细菌细胞内的其他过程耦合而产生的。
　　此外，通过确定Huc的低温电子显微镜结构、分子动力学模拟以及FTIR和EPR光谱等实验，表明至少部分从活性位点排除O2会导致酶对O2不敏感。
　　这里的数据表明，Huc具有很大的电化学过电位，这使得它可以独特地调节微量H2的氧化，并将产生的电子直接捐赠给呼吸辅助因子甲萘醌。值得注意的是，研究人员证明Huc通过一种独特且非常不寻常的机制访问甲萘醌。通过支架蛋白HucM，Huc复合物可以从膜中提取甲基萘醌并将其运输94到酶的电子受体位点。这一发现极大地扩展了研究人员对进行呼吸醌还原的可能性的认识。
　　更广泛地说，鉴于迄今为止在全细胞和纯化酶系统中应用的所有氢化酶都是被O2抑制的低亲和力酶，这些发现为生物催化剂的开发开辟了道路。Huc作为一种氧不敏感的高亲和力酶和第2族〔NiFe〕氢化酶，为开发在环境条件下运行的生物催化剂提供了基础。
　　一段时间以来，我们已经知道细菌可以利用空气中的微量氢作为能量来源，帮助它们生长和生存，包括在南极土壤、火山口和深海中。文章的通讯作者ChrisGreening教授说，但直到现在我们才知道他们是怎么做到的。
　　Huc是一种天然电池，可以从空气或添加的氢气中产生持续的电流。虽然这项研究还处于早期阶段，但Huc的发现具有开发小型气动设备的巨大潜力，例如作为太阳能设备的替代品。
　　像Huc这样产生酶的细菌很常见，可以大量生长，这意味着我们可以获得可持续的酶来源。论文的第一作者RhysGrinter博士说，未来工作的一个关键目标是扩大Huc的生产规模。一旦我们生产出足够数量的Huc，天空就是使用它生产清洁能源的牧场。
　　论文链接：https：www。nature。comarticless41586023057817
　　相关报道：https：phys。orgnews202303newlyenzymeairelectricitysource。html