【最新研究】科學家發現了一種神奇的酶，能將空氣轉換為能源

我們都知道，空氣是生命的基本要素之一，沒有空氣，人類和其他動植物就無法呼吸和生存。但是，你是否想過，空氣還可以被用來產生能源呢？這聽起來像是科幻小說中的情節，但事實上，科學家們已經在現實中實現了這一壯舉。

在2023年3月15日發表在《自然》雜志上的一篇研究論文中，澳大利亞莫納什大學的微生物學家格林特（Rhys Grinter）和他的同事們報告了他們對一種能夠將空氣中的氫轉化為電能的酶的發現。
這種酶被命名為Huc（hydrogen uptake catalase），是由一種叫做粘性分枝桿菌（Mycobacterium smegmatis）的細菌所組成的。
粘性分枝桿菌是結核分枝桿菌和麻風分枝桿菌的近親，但不會引起人類或動物的疾病。它們廣泛存在于世界各地的土壤中，并且能夠在極端、貧瘠的環境中存活，比如南極洲、火山口和深海等地方。

粘性分枝桿菌之所以能夠適應這些惡劣的條件，很大程度上歸功于它們利用Huc酶從空氣中獲取能量的能力。空氣中含有微量的氫（約0.00005%），而Huc酶可以將這些氫與細胞內存在于過氧化物酶（peroxidase）上面的鐵離子結合起來，并釋放出電子。這些電子可以通過細胞膜上特殊的蛋白質通道傳遞給外部電路，并形成電流。
為了揭示粘性分枝桿菌如何利用Huc酶從空氣中獲取能量的機制，格林特和他的團隊首先使用色譜法（chromatography）將Huc酶從細菌細胞中提取出來。色譜法是一種實驗室技術，可以將混合物中不同成分按照其相對親水或親油程度進行分離。

然后，他們使用X射線晶體衍射法（X-ray crystallography）確定了Huc酶三維結構上最重要部位——催化位點（catalytic site），即與鐵離子結合并參與反應的地方的原子模型。
通過這種方法，他們發現了Huc酶與其他過氧化物酶的一個重要區別：Huc酶上的鐵離子是三價的，而其他過氧化物酶上的鐵離子是二價的。這意味著Huc酶上的鐵離子更容易與氫結合，并釋放出電子。

接下來，他們使用電化學方法（electrochemistry）測量了Huc酶產生電流的能力。他們將Huc酶固定在一塊金屬電極上，并將其暴露在不同濃度的氫氣中。他們發現，當空氣中含有0.00005%的氫時，Huc酶可以產生約0.1微安（microampere）每平方厘米（square centimeter）的電流；當空氣中含有1%的氫時，Huc酶可以產生約10微安每平方厘米的電流。這些數據表明，Huc酶對于空氣中微量或高濃度的氫都有很高的敏感性和效率。
格林特表示，他們對于Huc酶產生電能機制的發現為開發新型清潔能源提供了新思路和新可能性。「我們想象一種含有Huc酶的能源來源，可以利用空氣為各種小型便攜式設備提供電力，包括生物傳感器、環境監測器、數字時鐘、計算器或簡單計算機。」

他在郵件中告訴《生命科學》網站。「當你給Huc酶提供更高濃度的氫時，它就會產生更多的電流。這意味著你可以用它在燃料電池中為更復雜的設備提供電力，比如智能手表、智慧型手機、更便攜式復雜計算機，甚至可能是汽車。」
格林特還指出，由于粘性分枝桿菌是一種非致【病性細菌，并且已經被廣泛用于實驗室研究結核分枝桿菌等相關細菌，在工業規模上利用它們來制造和提取Huc酶應該不會遇到太大困難。「我們認為，在未來幾年內就可以實現從實驗室到工業規模轉化。」他說。

此外，格林特還表示，他們對于粘性分枝桿菌如何利用空氣中獲取能量也有更深入地探索興趣。「我們想知道粘性分枝桿菌是否還有其他從空氣中獲取能量或營養物質的方式，比如氮、碳或硫等元素。我們還想知道這些細菌在自然界中的分布和生態功能，以及它們是否對全球氫循環有重要影響。」他說。
空氣中的氫是一種清潔、可再生、且無限的能源，但目前人類利用它的方式還存在很多問題和挑戰。例如，制造和儲存氫需要高壓或低溫的條件，而且會產生一定的成本和污染。而粘性分枝桿菌和Huc酶則為我們提供了一個從空氣中直接獲取并轉化氫能量的新方法，既簡單又安全又環保。如果能夠將這種方法應用到實際生活中，那麼我們就可以擁有一個更加清潔、高效、可持續的能源未來。


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