科学家发现了一种神奇的酶，它能将空气转换为能源!

我们都知道，空气是生命的基本要素之一，没有空气，人类和其他动植物就无法呼吸和生存。但是，你是否想过，空气还可以被用来产生能源呢？这听起来像是科幻小说中的情节，但事实上，科学家们已经在现实中实现了这一壮举。

在2023年3月15日发表在《自然》杂志上的一篇研究论文中，澳大利亚莫纳什大学的微生物学家格林特（Rhys Grinter）和他的同事们报告了他们对一种能够将空气中的氢转化为电能的酶的发现。这种酶被命名为Huc（hydrogen uptake catalase），是由一种叫做粘性分枝杆菌（Mycobacterium smegmatis）的细菌所组成的。粘性分枝杆菌是结核分枝杆菌和麻风分枝杆菌的近亲，但不会引起人类或动物的疾病。它们广泛存在于世界各地的土壤中，并且能够在极端、贫瘠的环境中存活，比如南极洲、火山口和深海等地方。

粘性分枝杆菌之所以能够适应这些恶劣的条件，很大程度上归功于它们利用Huc酶从空气中获取能量的能力。空气中含有微量的氢（约0.00005%），而Huc酶可以将这些氢与细胞内存在于过氧化物酶（peroxidase）上面的铁离子结合起来，并释放出电子。这些电子可以通过细胞膜上特殊的蛋白质通道传递给外部电路，并形成电流。

为了揭示粘性分枝杆菌如何利用Huc酶从空气中获取能量的机制，格林特和他的团队首先使用色谱法（chromatography）将Huc酶从细菌细胞中提取出来。色谱法是一种实验室技术，可以将混合物中不同成分按照其相对亲水或亲油程度进行分离。然后，他们使用X射线晶体衍射法（X-ray crystallography）确定了Huc酶三维结构上最重要部位——催化位点（catalytic site），即与铁离子结合并参与反应的地方的原子模型。通过这种方法，他们发现了Huc酶与其他过氧化物酶的一个重要区别：Huc酶上的铁离子是三价的，而其他过氧化物酶上的铁离子是二价的。这意味着Huc酶上的铁离子更容易与氢结合，并释放出电子。

接下来，他们使用电化学方法（electrochemistry）测量了Huc酶产生电流的能力。他们将Huc酶固定在一块金属电极上，并将其暴露在不同浓度的氢气中。他们发现，当空气中含有0.00005%的氢时，Huc酶可以产生约0.1微安（microampere）每平方厘米（square centimeter）的电流；当空气中含有1%的氢时，Huc酶可以产生约10微安每平方厘米的电流。这些数据表明，Huc酶对于空气中微量或高浓度的氢都有很高的敏感性和效率。

格林特表示，他们对于Huc酶产生电能机制的发现为开发新型清洁能源提供了新思路和新可能性。“我们想象一种含有Huc酶的能源来源，可以利用空气为各种小型便携式设备提供电力，包括生物传感器、环境监测器、数字时钟、计算器或简单计算机。”他在邮件中告诉《生命科学》网站。“当你给Huc酶提供更高浓度的氢时，它就会产生更多的电流。这意味着你可以用它在燃料电池中为更复杂的设备提供电力，比如智能手表、智能手机、更便携式复杂计算机，甚至可能是汽车。”

格林特还指出，由于粘性分枝杆菌是一种非致病性细菌，并且已经被广泛用于实验室研究结核分枝杆菌等相关细菌，在工业规模上利用它们来制造和提取Huc酶应该不会遇到太大困难。“我们认为，在未来几年内就可以实现从实验室到工业规模转化。”他说。

此外，格林特还表示，他们对于粘性分枝杆菌如何利用空气中获取能量也有更深入地探索兴趣。“我们想知道粘性分枝杆菌是否还有其他从空气中获取能量或营养物质的方式，比如氮、碳或硫等元素。我们还想知道这些细菌在自然界中的分布和生态功能，以及它们是否对全球氢循环有重要影响。”他说。

空气中的氢是一种清洁、可再生、且无限的能源，但目前人类利用它的方式还存在很多问题和挑战。例如，制造和储存氢需要高压或低温的条件，而且会产生一定的成本和污染。而粘性分枝杆菌和Huc酶则为我们提供了一个从空气中直接获取并转化氢能量的新方法，既简单又安全又环保。如果能够将这种方法应用到实际生活中，那么我们就可以拥有一个更加清洁、高效、可持续的能源未来。