活細胞內(nèi)部是按照功能進行分區(qū)的，如細胞核是DNA和基因的倉庫，線粒體是能量代謝樞紐，這種嚴格的功能結(jié)構(gòu)分區(qū)使細胞能實現(xiàn)各種特定功能。印第安娜科學家借助細胞的這種策略，利用病毒作為工具，將氫化酶進行包裹，實現(xiàn)快速制造氫氣的目的。這種方法制造足夠數(shù)量的氫氣尚不能滿足商業(yè)的需要，但是在《自然化學》發(fā)表了該研究論文的這些科學家對此有充足信心，希望能通過優(yōu)化建立經(jīng)濟簡單的氫氣制造工藝。
許多細菌具有產(chǎn)生氫氣分子，并將氫氣作為能量物質(zhì)供代謝使用的能力，氫氣對這些細菌來說，就像葡萄糖對高等多細胞生物一樣，能制造葡萄糖，并能利用葡萄糖作為能量物質(zhì)。（從這個角度看，氫氣是一種非常典型的生物分子，至少是低等生物的生物活性分子，而且是非常重要關(guān)鍵的能量樞紐分子，因此，氫氣具有生物學效應是一種必然）。
氫化酶能將氫離子和電子結(jié)合成氫分子，也能催化氫分子成為電子和氫離子，電子可作為代謝底物進入細胞代謝過程。氫氣是一種絕對綠色的能源，燃燒后變成水，不會對環(huán)境產(chǎn)生危害。用氫氣作為能源可以驅(qū)動汽車或發(fā)電。商業(yè)氫氣主要依靠將天然氣進行高溫催化制備，造價比較高，限制了其廣泛應用。
氫化酶能在常溫下利用簡單經(jīng)濟的化合物合成氫氣，但技術(shù)上面臨兩個障礙。一是制造氫氣必須有兩個氫化酶聯(lián)合行動。這兩個氫化酶必須非�？拷�，在細菌內(nèi)兩個酶是結(jié)合在一起的，但一旦這種酶從細菌提取出來，往往會在溶液中自由分散，不容易結(jié)合在一起發(fā)揮作用。另一個問題是容易受到氧氣的破壞，而氧氣在工作環(huán)境中往往大量存在。
為克服這兩個問題，印第安納大學化學家Trevor Douglas團隊借鑒細胞分區(qū)的策略，他們用p22沙門氏菌噬菌體，這些病毒感染細菌后形成，420拷貝“外殼”蛋白質(zhì)組成的小型空心球。細菌感染噬菌體后被誘導產(chǎn)生這些蛋白質(zhì)，能在基因指導下組裝成為病毒顆粒。
Douglas等在保持“外殼”蛋白質(zhì)完整性基礎(chǔ)上，通過改變編碼導引蛋白質(zhì)的DNA，使這種蛋白能嵌合到細胞膜上，并插入一段能捕捉氫化酶分子的鏈接器。噬菌體DNA重組完成后感染到沙門氏菌，這種感染了工程病毒的細菌能自動組裝大約100個拷貝氫化酶的病毒顆粒。
這些包裹了大量氫化酶的病毒顆粒形成一個個專門催化氫氣制造的小型工廠，而且由于蛋白被病毒外殼蛋白緊緊包裹，氧氣無法滲透進入病毒顆粒內(nèi)，這同時解決了影響氫化酶活性的兩大問題。然后將包含這種病毒的溶液中加入質(zhì)子（氫離子）和電子傳遞體，質(zhì)子和電子傳遞體能擴散到顆粒內(nèi)。氫化酶可以非常容易地催化質(zhì)子和電子形成氫氣分子。根據(jù)文章的報道，這種方法比過去報道的氫化酶產(chǎn)氫氣增加了100倍。
加州大學伯克利分校生物工程師Seung-Wuk Lee,對這一研究表示贊賞，認為這是開創(chuàng)性工作，如果能解決氫氣制造的經(jīng)濟方法，將可以代替目前最便宜的利用天然氣裂解的方法。雖然現(xiàn)在仍然不能直接投入使用，但是Douglas說，他和同事們已經(jīng)設(shè)法提高制造效率，尤其是設(shè)法解決改進氫化酶膠囊，使這種催化顆粒能直接利用甲烷、甲醇等更復雜的物質(zhì)作為電子供體制造氫氣，
|
