这听起来可能令人惊讶,但当形势艰难,没有其他食物可用时,一些土壤细菌可以消耗空气中的微量氢作为能量来源。

上图:耻垢分枝杆菌的扫描电镜图像。

事实上,细菌每年会从大气中去除惊人的7000万吨氢气,这一过程实际上塑造了我们呼吸的空气的组成。

科学家们现在已经分离出一种酶,这种酶可以使一些细菌消耗氢气并从中提取能量,并且发现当暴露在少量的氢气中时,它可以直接产生电流。

正如科学家们在《自然》杂志上发表的一篇新论文中所报道的那样,这种酶在未来为小型、可持续的空气动力设备提供动力方面,可能具有相当大的潜力。


细菌基因包含了将空气转化为电能的秘密

在这一发现的推动下,科学家们分析了一种名为“耻垢分枝杆菌(Mycobacterium smegmatis)”的土壤细菌的遗传密码,这种细菌会从空气中消耗氢气。

写在这些基因中的是,生产负责消耗氢气并将其转化为细菌能量的分子机器的蓝图。这台机器是一种叫做“氢化酶”的酶,我们将其简称为“Huc”。

氢是最简单的分子,由两个带正电的质子通过两个带负电的电子形成的键结合在一起。Huc打破了这个键,质子分开,电子被释放。

在细菌中,这些自由电子随后会流入一个称为“电子传递链”的复杂电路,并被利用,为细胞提供能量。

流动的电子是构成电的物质,这意味着Huc直接将氢转化为电流。

上图:Huc酶的原子结构图。

氢只占大气的0.00005%。以如此低的浓度消耗这种气体是一项艰巨的挑战,任何已知的催化剂都无法实现。此外,大气中丰富的氧气破坏了大多数耗氢催化剂的活性。


分离让细菌在空气中生存的酶

科学家们很想知道Huc是如何克服这些挑战的,所以,他们开始从耻垢分枝杆菌细胞中分离它。

这样做的过程很复杂。他们首先修改了耻垢分枝杆菌中允许细菌制造这种酶的基因。在此过程中,他们又向Huc添加了一个特定的化学序列,这使科学家们能够从耻垢分枝杆菌细胞中分离出它。

想要看清楚Huc并非易事。科学家们花了几年时间,走了相当多的实验死胡同,才最终分离出这种巧妙的酶的高质量样本。

然而,辛苦的工作是值得的,因为最终生产的Huc非常稳定。它能承受80℃至-80℃的温度,而且没有活性损失。


从空气中提取氢气的分子蓝图

Huc被分离出来后,科学家们开始认真地研究它,以发现这种酶到底能做什么。如何将空气中的氢转化为可持续的电力来源?

值得注意的是,他们发现,即使从细菌中分离出来,Huc也能消耗远低于空气中微量氢的浓度。事实上,Huc仍在吸入微弱的氢气,科学家们用来测量气体浓度的高灵敏度仪器气相色谱仪都无法检测到。

他们还发现,Huc完全不受氧的抑制,这是其他耗氢催化剂所没有的特性。

为了评估它将氢转化为电的能力,科学家们使用了一种叫做电化学的技术。这表明,Huc可以将空气中微小浓度的氢直接转化为电能,从而为电路提供动力。对于耗氢催化剂来说,这是一项非凡且前所未有的成就。

上图:Huc从空气中消耗氢气的图示。

他们使用了几种尖端方法来研究Huc是如何在分子水平上做到这一点的。其中包括先进的显微镜(低温电子显微镜)和光谱学,以确定其原子结构和电子路径,推动边界,以产生迄今通过这种方法报道的最高分辨率的酶结构。


酶可以利用空气为未来的设备提供动力

目前,这项研究还处于早期阶段,要实现Huc的潜力还需要克服几个技术挑战。

首先,科学家们需要大幅增加Huc的生产规模。在实验室中,以毫克为单位生产Huc,但科学家们希望将其扩大到克,最终达到千克。

然而,他们的工作表明,Huc的功能就像一个“天然电池”,从空气或添加的氢中产生持续的电流。

因此,Huc在开发小型、可持续的空气动力设备,作为太阳能的替代品方面具有相当大的潜力。

氢气在空气中提供的能量很少,但很可能足以为生物识别监视器、时钟、LED或简单的计算机供电。有了更多的氢气,Huc可以产生更多的电力,并有可能为更大的设备提供动力。

另一个应用是开发基于Huc的生物电传感器,用于检测氢,这可能会是非常敏感的。Huc对于检测我们蓬勃发展的氢经济的基础设施或医疗环境中的泄漏,可能是无价的。

简而言之,这项研究展示了关于土壤中细菌如何自我滋养的基本发现,如何导致对生命化学的重新想象。最终,它还可能导致面向未来的技术发展。