氢能源汽车out了，微生物对氢的利用领先人类一大截！

远早于人类发明氢能源汽车，在自然界有许多微生物被证明是能利用“氢能源”生存的（利用氢气氧化获取能量）。土壤对大气氢 (H2 )的氧化是调节地球大气成分、塑造大气氧化还原状态的关键生化过程[1]。最近研究发现来自至少九个门的多种好氧细菌能氧化大气中的 H2，并且每年氧化的H2含量占从大气中去除的H2总量的 75%（约 6000万吨）。大气中的H2氧化为贫瘠土壤环境中的细菌提供了补充能量来源，使它们能够利用混合的营养生长或在休眠状态下长时间单独在空气中存活。例如，分枝杆菌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来获取能量，从而得以在贫瘠的环境中存活。

然而对于这些好氧细菌利用氢能源的“发动机”——NiFe 氢化酶超家族的结构和原理还不清楚。2023 年 3 月 8 日发表于顶级杂志《自然》的一项研究[2]探讨了这些酶如何在克服环境的O2催化毒性下氧化皮摩尔水平的 H2，以及衍生电子如何转移到呼吸链(注：呼吸链是由一系列的递氢反应和递电子反应组成，它将代谢物脱下的成对氢原子交给氧生成水，同时生成ATP)。

图1.发表于自然杂志的该研究简介

简单总结，科学家们在这项研究中首次确定了耻垢分枝杆菌氢化酶Huc的低温电子显微镜结构及氧化H2的原理。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。

研究人员通过 SDS-PAGE 分析表明，Huc 由对应于 HucL（约 58 kDa）、HucS-2×Strep（约 39 kDa）和第三个未知亚基HucM（约 18 kDa）的三个蛋白质亚基组成。如图2f所示，对含有 Huc、 E. coli Hyd1 或不含酶三组的密封小瓶顶空H2浓度进行气相色谱分析，表明 Huc 可以氧化 H2从 100 ppm 到气相色谱仪的检测限 (40 ppbv)（绿线）。相反，Hyd1不氧化H2 当浓度小于< 8 ppmv时。

图2.Huc分离纯化及亚基组成

图3. Huc 形成包含 HucS、HucL 和 HucM 的 833-kDa 寡聚体

为了确定 Huc 的结构，研究人员对纯化的 833 kDa 复合物进行了低温电子显微镜 (cryo-EM) 成像和单粒子重建（如图3所示）。Cryo-EM 显微镜照片揭示了Huc 的结构的形状像四叶草，它有时通过茎状突起与膜囊泡相关联。同时科学家发现Huc氢化酶氧不敏感的原因在于：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，并且拥有3 [3Fe–4S] 簇调节酶的特性，从而使大气中的 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一个八聚体 833 kDa 复合物，它从膜上运输和还原甲基萘醌94 Å。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，并为开发可氧化环境空气中H2的催化剂铺平了道路，是未来人类利用氢能源的一类重要蛋白酶学工具。

看到这里，不得不感叹自然界就是这么神奇，当人类自诩为科技先进时，大自然早在某个不起眼的角落备好了答案，这答案是几十亿年进化的结晶，所以自然永远是人类的老师，值得人类永远好奇发问与探索。

Ref：[1]. 1. Greening C, Grinter R. Microbial oxidation of atmospheric trace gases. Nat. Rev. Microbiol. 2022;20:513–528. doi: 10.1038/s41579-022-00724-x.

Grinter R, Kropp A, Venugopal H, Senger M, Badley J, Cabotaje PR, Jia R, Duan Z, Huang P, Stripp ST, Barlow CK, Belousoff M, Shafaat HS, Cook GM, Schittenhelm RB, Vincent KA, Khalid S, Berggren G, Greening C. Structural basis for bacterial energy extraction from atmospheric hydrogen. Nature. 2023 Mar;615(7952):541-547. doi: 10.1038/s41586-023-05781-7. Epub 2023 Mar 8. PMID: 36890228; PMCID: PMC10017518.