这听起来可能令人惊讶，但当经济困难且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气作为能源。
事实上，细菌每年从大气中去除 7000 万吨氢气，这一过程实际上改变了我们呼吸的空气的成分。
我们分离出一种酶，它可以使一些细菌消耗氢气并从中提取能量，并发现即使接触微量的氢气，它也可以直接产生电流。
正如我们报道的那样一篇新论文在自然，这种酶在未来可能具有为小型、可持续的空气动力设备提供动力的巨大潜力。
细菌基因蕴藏着将空气转化为电能的秘密
受这一发现的启发，我们分析了一种名为“土壤细菌”的遗传密码。耻垢分枝杆菌，它消耗空气中的氢气。
这些基因中写入了生产分子机器的蓝图，该分子机器负责消耗氢气并将其转化为细菌的能量。这个机器是一种叫做“氢化酶”的酶，我们简称它为Huc。
氢是最简单的分子，由两个带正电的质子组成，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，这些自由电子随后流入称为“电子传输链”的复杂电路，并被利用为细胞提供能量。
电是由流动的电子组成的，这意味着 Huc 直接将氢转化为电流。
氢气仅占大气的 0.00005%。在如此低的浓度下消耗这种气体是一项艰巨的挑战，没有任何已知的催化剂可以实现这一目标。此外，大气中丰富的氧气会毒害大多数耗氢催化剂的活性。
分离允许细菌在空气中生存的酶
我们想知道 Huc 如何克服这些挑战，因此我们着手将其与耻垢分枝杆菌细胞。
这样做的过程很复杂。我们首先修改了基因耻垢分枝杆菌使细菌能够产生这种酶。在此过程中，我们向 Huc 添加了特定的化学序列，这使我们能够将其从耻垢分枝杆菌细胞。
仔细观察休克并不容易。我们花了几年的时间和相当多的实验死胡同，才最终分离出这种巧妙酶的高质量样品。
不过，这些辛苦都是值得的，我们最终生产出来的Huc非常稳定。它可以承受 80℃ 至 –80℃ 的温度而不会损失活性。
从空气中提取氢气的分子蓝图
分离出 Huc 后，我们开始认真研究它，以发现这种酶到底有什么功能。它如何将空气中的氢气转化为可持续的电力来源？
值得注意的是，我们发现即使与细菌隔离，Huc 也能消耗比空气中微量浓度低得多的氢气。事实上，Huc 仍然消耗着微弱的氢气气味，我们的气相色谱仪无法检测到，气相色谱仪是我们用来测量气体浓度的高灵敏度仪器。
我们还发现 Huc 完全不受氧的抑制，这是其他耗氢催化剂中不存在的特性。
为了评估其将氢转化为电能的能力，我们使用了一种称为电化学的技术。这表明 Huc 可以将空气中微量浓度的氢气直接转化为电能，为电路供电。对于耗氢催化剂来说，这是一项了不起的、前所未有的成就。
我们使用了几种前沿方法来研究 Huc 如何在分子水平上做到这一点。其中包括先进的显微镜（低温电子显微镜）和光谱学来确定其原子结构和电通路，突破界限以产生该方法迄今为止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
这项研究还处于早期阶段，需要克服一些技术挑战才能发挥 Huc 的潜力。
一方面，我们需要大幅增加Huc的生产规模。在实验室中，我们以毫克为单位生产 Huc，但我们希望将其扩大到克，最终达到公斤。
然而，我们的工作表明，Huc 的功能就像一个“天然电池”，从空气或添加的氢气中产生持续的电流。
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巨大的潜力。
空气中的氢气提供的能量很小，但可能足以为生物识别监视器、时钟、LED 地球仪或简单的计算机提供动力。有了更多的氢气，Huc 就能产生更多的电力，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 的生物电传感器来检测氢气，这种传感器可能非常灵敏。 Huc 对于检测我们蓬勃发展的氢经济基础设施或医疗环境中的泄漏可能具有无价的价值。
简而言之，这项研究表明，关于土壤中细菌如何自我喂养的基本发现可以如何导致对生命化学的重新想象。最终它也可能导致未来技术的发展。
克里斯·格林宁，教授，微生物学，莫纳什大学;阿什莉身体，博士生，生物医学发现研究所，莫纳什大学， 和里斯·格林特，生物医学发现研究所实验室主任，莫纳什大学
