又一重磅发现！最新Nature：喝西北风，不仅可以管饱，还能充电！

2021年，中国科学院天津工业生物技术研究所研究员马延和带领团队，采用一种类似“搭积木”的方式，从头设计、构建了11步反应的非自然固碳与淀粉合成途径，在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。核磁共振等检测发现，人工合成淀粉分子与天然淀粉分子的结构组成一致。实验室初步测试显示，人工合成淀粉的效率约为传统农业生产淀粉的8.5倍。在充足能量供给的条件下，按照目前技术参数，理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于我国5亩玉米地的年产淀粉量。（相关报道：Science重磅：我国科学家突破CO₂人工合成淀粉技术！）

网友戏称：以后不用种地了，喝西北风就能管饱！

在最新一期的Nature杂志上，又有一项重大发现，科学家找到一种可以将空气转化为电能的酶。网友们以后喝西北风不仅管饱，还可以发电了。澳大利亚墨尔本莫纳什大学生物医学发现研究所的Chris Greening教授团队从细菌中分离出一种Huc酶，这种酶可以利用大气中少量的氢来产生电流。如果有朝一日，可以生物工程的方法，大规模生产这种酶，那么天空就是使用它生产清洁能源的极限。

从空气中获取电能的酶

从空气中直接获取电能看似科幻，实际在自然界中早就有生物能够做到。根据前人研究发现，世界上存在多种多样的好氧细菌利用大气中的H2作为生长和生存的能量来源。现阶段，至少9个门类的各种好氧细菌可以实现大气中的H2氧化，这些细菌每年从大气中去除的H2总量的75%（约60Tg）。大气中的H2氧化为细菌在营养有限的土壤环境中提供了补充能源，使它们能够生长或者仅靠空气就能长期保持休眠但有活力的状态。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，从而在饥饿中生存下来。因此氧化大气中的H2的能力广泛存在于不同环境的细菌中。

为了能够实现利用这些酶实现对大气中H2的利用，需要对这些酶的催化过程进行细致的研究。现有研究表明，大气中的H2氧化是由[NiFe]氢化酶家族中的成员完成。但是这种酶容易被O2可逆或不可逆地抑制。因此，对于这些酶如何克服在催化毒物O2的环境水平下氧化皮摩尔水平的H2这一非同寻常的催化挑战，以及如何将衍生的电子转移到呼吸链上，仍然没有得到深入的研究。

近期，为了弥补这些知识空白，蒙纳士大学Chris Greening团队究了需氧细菌M. smegmatis的大气H2氧化的结构和机制基础。通过直接从M. smegmatis中分离出Huc，确定其氧化大气中的H2的结构和生物化学基础，并确定了烟青霉菌氢化酶Huc的低温电子显微镜结构，揭示了其机制并确定其氧化大气中的H2的结构和生物化学基础。这些发现为生物地球化学和生态学上重要的大气H2氧化过程提供了机制基础，发现了一种依赖于长距离醌运输的能量耦合模式，并为开发环境空气中H2氧化的催化剂铺平了道路。该工作以题为“Structural basis for bacterial energy extraction from atmospheric hydrogen”的文章发表于Nature上。

研究人员使用染色体编码的HucS亚单位上的Strep-tag II，从M. smegmatis中分离出了Huc。提取出的这种Huc酶可以将氢气转化为电流。Huc非常高效，在亚大气层浓度下具有固有的H2氧化能力，并且对O2的抑制作用基本不敏感。与所有其他已知的酶和化学催化剂不同，甚至消耗低于大气水平的氢气，仅占空气的0.00005%。此外，Huc非常稳定。可以冷冻酶或将其加热到80摄氏度，并且它保留了产生能量的能力，也因此反映了这种酶帮助细菌在最极端的环境中生存。

通过SDS-PAGE分析显示，Huc由三个蛋白亚单位组成，分别对应HucL（约58 kDa）、HucS-2 Strep（约39 kDa）和第三个未知亚单位（约18 kDa）。第三个亚单位是未定性的蛋白MSMEG_2261，它是由hucS17直接上游的huc操作子中的一个开放阅读框编码的。文中测试了纯化的Huc在环境空气中氧化3至100 ppm的H2的能力。使用硝基蓝四氮唑（NBT）或醌类似物甲萘醌作为电子接受体，Huc迅速消耗H2，使其低于气相色谱仪的检测限（约40 ppbv）。纯化的Huc的动力学分析表明，它适应于氧化大气中的H2，具有高亲和力（Km = 129 nM）和低H2阈值（<31 pM），但周转慢（催化常数（kcat）= 7.05 s-1），表明该酶在低H2浓度下是非常有效的。

冷冻电子显微镜照片显示出Huc的分子形状像四叶草，它通过一个柄状突起与膜囊泡相关联。Huc的四个裂片分别由两个Huc原体组成，每个原体由HucS和HucL亚单位组成。四个Huc裂片与一个由四个HucM分子形成的支架结合在一起，HucM是一个细长的α螺旋形蛋白，交织在一起形成一个笼状结构。

通过研究表明，Huc对氧气的耐受是由于其较窄的疏水气体通道造成的。为了确定这些通道是否在从Huc活性部位立体排除O2方面有作用对HucSL二聚体在过量的H2和溶于水的O2存在下进行了全原子分子动力学模拟。，在这些模拟中，H2进入了Huc活性位点，而O2则被活性位点和酶表面之间的一系列瓶颈立体地排除在外，并没有接近催化簇。模拟结果表明，对O2进行选择的关键点是紧靠活性部位入口的三个气体通道汇合后的瓶颈。这表明， Huc气体通道在保护[NiFe]团簇不被O2灭活方面有一定作用。

小结：为了利用空气中存在的微量H2，作者利用好氧细菌M. smegmatis的Huc酶的生物化学和电化学特性，表明对O2不敏感的特性和对H2高亲和力的特性是这种氢化酶所固有的，而不是由于与细菌细胞内其他过程的耦合而产生的。此外，通过确定Huc的低温电镜结构、分子动力学模拟，提供了强有力的证据，表明至少从活性部位部分排除O2有助于该酶的O2不敏感性。这些发现为生物催化剂的发展开辟了道路，因为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低亲和力的酶，会被O2抑制。Huc作为一种对氧不敏感的高亲和力的酶和 [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。