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土壤里的細菌會在缺少食物的極端困境下，攝入空氣里的微量氫氣來補給能量。這聽起來非常神奇，卻也是不爭的科學事實。實際上，細菌每年從大氣中去除7000萬噸氫氣，這一過程塑造了我們所呼吸的空氣成分。
2023年3月8日，《自然》雜誌發表一項新工作，介紹了一種能使某些細菌消耗氫氣並從中攝取能量的酶，更有意思的是，這個過程能直接產生電流。人類能從中獲得什麼？
新論文的作者、澳大利亞蒙納士大學的研究團隊指出，他們分離得到的「氫電微生物酶」未來有望給很多設備提供動力。
在論文刊發的同一天，蒙納士大學團隊也於科學媒體《對話》（The Conversation）撰文科普了微生物酶「化氫為電」的故事。以下是對文章內容的編譯。
氫氣發電，刻進細菌基因里
我們發現一種名為恥垢分枝桿菌（Mycobacterium smegmatis）的土壤細菌能消耗空氣里的氫氣，並分析了它的遺傳密碼。
遺傳信息告訴我們，有一台分子產能機器被寫入了恥垢分枝桿菌的基因組。這台機器叫做「氫化酶」（hydrogenase），我們簡稱其為Huc。
分離自恥垢分枝桿菌的Huc酶
氫氣是最簡單的分子。兩個帶正電的質子通過兩個帶負電的電子形成共價鍵而結合，便構成了氫氣。而Huc酶打破了這個鍵，質子分開，電子釋放。
這些自由電子在細菌體內流入所謂「電子傳遞鏈」（electron transport chain），並被利用，為細胞供能。
換言之，Huc將氫氣直接轉化為了電流。
將氫電酶從細菌內取出來
氫氣只占大氣的0.5ppm，即0.00005%。在如此低的濃度下攝取利用某種氣體是艱巨挑戰，任何已知的催化劑都無法實現；此外，大氣里豐富的氧氣會毒化大多數酶的催化活性。
我們想知道Huc如何克服這些挑戰，於是決定將其與恥垢分枝桿菌細胞分離。
分離過程很複雜。我們首先修改了細菌的基因，使它能製造Huc，然後在其制酶過程中，向Huc添加了個特定化學序列，從而令我們能夠將酶與細菌分離。
在分離出高質量酶樣品前，我們花費了幾年時間，也遇到了很多死胡同。當然，好在最終得到的Huc的確質量相當高，非常穩定，可承受-80℃至80℃之間的溫度而不損失活性。
接下來，我們開始認真研究氫化酶，了解其確切功能——它如何將空氣里的氫氣轉化為可持續的電力來源？
需要指出的是，分離後的Huc所能吸收的氫氣濃度，可以低到超乎想像，甚至低過正常空氣里的氫氣濃度，低到氣相色譜儀無法檢測。這意味著，利用該酶發電的條件非常易於實現。
此外，Huc完全不受氧氣抑制，這是其他耗氫催化劑所不具備的特性。
Huc的結構示意圖
藉助電化學技術，我們證明氫化酶可將空氣中超低濃度的氫氣直接轉化為電能，從而為電路供電。這是一項前所未有的成就。
酶促+空氣，未來的動力
圍繞氫化酶用氫發電的研究尚處於早期階段，需克服一些技術挑戰才能發揮Huc潛力。
一方面，我們應當大幅擴增Huc的生產規模。實驗室里的Huc生產是毫克級別的，我們希望將其擴大到克，甚至是最終的公斤級別。
此外，Huc就像一個天然的電池，對於空氣或人為添加的氫氣，都能利用它們產生持續電流。
因此，在開發小型、可持續的空氣能設備（替代太陽能）的方面，Huc具備相當大潛力。
藝術家描繪的Huc消耗空氣中氫氣的效果圖
空氣中氫氣所提供的能量很少，但似乎也足以為生物識別監視器、時鐘、LED球泡燈以及簡單計算機等設備供電。有了更多氫氣，Huc便可產生更大電力，也有望為更大設備提供動力。
另一方面的應用是開發基於Huc的生物電傳感器用以檢測氫氣。這類傳感器將非常靈敏，對於檢測氫能基礎設施或醫療系統的泄漏有著不可估量的潛在價值。
資料來源：
Electricity from thin air: an enzyme from bacteria can extract energy from hydrogen in the atmosphere
END
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