新发现的酶可将空气转化为电能，提供新的清洁能源

编辑 | 萝卜皮

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（Monash University）的研究人员确定了耻垢分枝杆菌（Mycobacterium smegmatis）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 [3Fe-4S] 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 94Å。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「Structural basis for bacterial energy extraction from atmospheric hydrogen」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（530 ppbv）。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 Km >500nM）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 94Å 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 Chris Greening 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 Rhys Grinter 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.com/articles/s41586-023-05781-7

相关报道：https://phys.org/news/2023-03-newly-enzyme-air-electricity-source.html