背景介紹:利用太陽能提供了一個(gè)方法來減少對化石燃料的依賴產(chǎn)生氫氣。作為人類和整個(gè)社會(huì),我們始終依賴光合作用。一些藍(lán)細(xì)菌和綠藻分別具有NiFe-或FeFe-氫酶,這使它們能夠自然產(chǎn)生H2。氫氣要么在黑暗中的發(fā)酵條件下產(chǎn)生,要么在照明的開始時(shí)作為光合作用產(chǎn)生的氫。研究人員嘗試通過光合作用產(chǎn)生氫氣已經(jīng)有一段時(shí)間了,一些人通過在活細(xì)胞的體外融合不同的氫化酶(H2酶)與光合系統(tǒng)(PSI)取得了成功。氫化酶是催化質(zhì)子還原成氫氣的酶,而光系統(tǒng)是一個(gè)完整的膜蛋白復(fù)合物,通常在光合作用過程中捕捉太陽光的能量。過去的研究介紹了一些將氫化酶與光系統(tǒng)融合的技術(shù),但迄今為止,所有這些技術(shù)都只在體外(即在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中和活細(xì)胞外)證明有效。在體外系統(tǒng)中,由于缺少了能夠自我修復(fù)、維護(hù)和復(fù)制的活細(xì)胞,因此,體外系統(tǒng)的壽命本來就很短。因此,最有效生產(chǎn)氫氣的技術(shù)應(yīng)該在體內(nèi)(即活細(xì)胞內(nèi))才能很好地發(fā)揮作用。


本論文的研究人員最近設(shè)計(jì)出了一種光合作用產(chǎn)生氫氣的方法,這種方法需要在體內(nèi)融合藍(lán)藻菌內(nèi)的氫酶和光系統(tǒng),研究人員率先提出了通過光合系統(tǒng)和氫酶在體內(nèi)融合高效生產(chǎn)太陽能氫的概念證明。該研究為大規(guī)??沙掷m(xù)生產(chǎn)氫氣開辟了新的可能性。


Unisense微呼吸系統(tǒng)的應(yīng)用


用微呼吸系統(tǒng)(Unisense)測量了藍(lán)藻菌的發(fā)酵,短期和長期的氫轉(zhuǎn)化率。將細(xì)胞懸浮液置于unisense的微呼吸瓶中(雙室),并分別添加葡萄糖,葡萄糖氧化酶和過氧化氫酶至終濃度分別為10 mM,16 U ml–1和20 U ml–1。在將氧氣和氫氣微呼吸電極插入每個(gè)腔室后開始測量。在藍(lán)細(xì)菌培養(yǎng)物的水相中連續(xù)監(jiān)測氧和氫的濃度。微呼吸瓶中(雙室)用玻璃蓋密封,因此理想情況下樣品上方不存在氣相。但是,放置傳感器的端口無法完全密封,因此H2從樣品中擴(kuò)散出的量很小。


實(shí)驗(yàn)結(jié)果


提出了一種通過與PSI融合的氫化酶光學(xué)生產(chǎn)H 2的體內(nèi)方法,作為進(jìn)一步的概念驗(yàn)證。所得突變體psaD-hoxYH產(chǎn)生500μM光學(xué)產(chǎn)H2,這是目前為止報(bào)道的藍(lán)細(xì)菌光學(xué)產(chǎn)氫的最高濃度。突變體的新陳代謝提供自我修復(fù),維持和復(fù)制,從而產(chǎn)生持久耐用的光學(xué)產(chǎn)氫的生產(chǎn)系統(tǒng)。藍(lán)藻Synechocstis sp.PCC 6803的NiFe-氫化酶HoxYH與其光系統(tǒng)I亞基PsaD融合,靠近4Fe4S簇FB,通常為鐵氧還蛋白提供電子,所得的psaD-hoxYH突變體以光養(yǎng)方式生長,在厭氧條件下,在太陽光的厭氧條件下實(shí)現(xiàn)500μM高濃度光合產(chǎn)氫,且不吸收產(chǎn)生的氫。相關(guān)數(shù)據(jù)表明,psaD-hoxYH中光合氫的產(chǎn)生最有可能是基于有氧和無氧光合作用。

圖1、WT和ΔHOX/hoxYH在750納米下(OD750相關(guān)的光密度培養(yǎng)物)培養(yǎng)后產(chǎn)氫效果。

圖2、在黑暗中不存在DCMU和存在DCMU的情況下在厭氧條件下和光照下,WT和psaD-hoxYH中體內(nèi)瞬時(shí)產(chǎn)生光和產(chǎn)H2和O2。通過添加葡萄糖,葡萄糖氧化酶和過氧化氫酶來達(dá)到厭氧條件。a,隨著H2的吸收,WT菌株中發(fā)酵和短暫的光和產(chǎn)H 2濃度。b,在psadh-hoxyh中達(dá)到瞬時(shí)photoH2濃度。psadh-hoxyh沒有發(fā)酵產(chǎn)氫和H2吸收。c,d,WT(c)和psaD-hoxYH(d)中H 2的產(chǎn)生速率。?,WT中瞬時(shí)光和產(chǎn)H 2的平均濃度(n=17,–DCMU;n=12,+DCMU)和psaD-hoxYH(n=22,–DCMU;n=9,+DCMU)。f,在WT中暫時(shí)性光和產(chǎn)H 2的平均速率和PSAD-hoxYH(?=22,-DCMU;?=9+DCMU)下光和產(chǎn)H 2的平均速率。

圖3、在不存在和存在DCMU的情況下,在連續(xù)光照下厭氧條件下,WT和psaD-hoxYH中持久的體內(nèi)光和產(chǎn)H2。通過添加葡萄糖,葡萄糖氧化酶和過氧化氫酶來達(dá)到厭氧條件。a,在WT和psaD-hoxYH中長期光和產(chǎn)H2。b,WT和psaD-hoxYH中持久的光和產(chǎn)H2的速率。c,將WT,ΔhoxH和psaD-hoxYH與700μM H 2在黑暗中于厭氧條件下孵育。在箭頭指示的時(shí)間打開燈以測量H 2攝取,H2攝取存在于WT中,但在兩個(gè)突變體中都完全不存在。d,由WT和psaD-hoxYH生產(chǎn)的持久光和產(chǎn)H2的最大濃度。e,由WT(n=8,–DCMU;n=5,+DCMU)和psaD-hoxYH(n=16,–DCMU;n=8,+DCMU)產(chǎn)生的持久光和產(chǎn)H 2的平均濃度。從不同的樣品中進(jìn)行測量;n代表樣本數(shù)。F,在WT生產(chǎn)(n=6,-DCMU;n=3,+DCMU)和PSAD-hoxYH(n=19,-DCMU;?=4,+DCMU)持久光和產(chǎn)H2的平均速率。

圖4、在連續(xù)光下,厭氧條件下WT和psaD-hoxYH中持久光和產(chǎn)H 2對光的依賴性。通過添加葡萄糖,葡萄糖氧化酶和過氧化氫酶(EM)來維持無氧條件。圖的底部用黑色(熄滅)和白色(點(diǎn)亮)框表示照明條件。a,b,WT(a)和psaD-hoxYH(b)中光合產(chǎn)H2和氧的濃度。c,d,WT(c)和psaD-hoxYH(d)中光合產(chǎn)H2的的速率。

圖5、在DCMU存在下,WT和psaD-hoxYH中對葡萄糖依賴性及持久的光和產(chǎn)H 2。通過在開始測量之前用氬氣吹掃培養(yǎng)物10分鐘來達(dá)到厭氧條件。a,b,WT(a)和psaD-hoxYH(b)中的光合產(chǎn)H2濃度。c,d,WT(c)和psaD-hoxYH(d)中的光和產(chǎn)H 2的生產(chǎn)率。圖的底部用黑色(熄滅)和白色(點(diǎn)亮)框表示照明條件。


結(jié)論與展望


研究人員嘗試通過光合作用產(chǎn)生氫氣已經(jīng)有一段時(shí)間了,一些人通過在活細(xì)胞的體外融合不同的氫化酶(H2酶)與光合系統(tǒng)(PSI)取得了成功。氫化酶是催化質(zhì)子還原成氫氣的酶,而光系統(tǒng)是一個(gè)完整的膜蛋白復(fù)合物,通常在光合作用過程中捕捉太陽光的能量。過去的研究介紹了一些將氫化酶與光系統(tǒng)融合的技術(shù),但迄今為止,所有這些技術(shù)都只在體外(即在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中和活細(xì)胞外)證明有效。在體外系統(tǒng)中,由于缺少了能夠自我修復(fù)、維護(hù)和復(fù)制的活細(xì)胞,體外系統(tǒng)的壽命本來就很短。因此最有效生產(chǎn)氫氣的技術(shù)應(yīng)該在體內(nèi)(即活細(xì)胞內(nèi))才能很好地發(fā)揮作用。本論文研究人員設(shè)計(jì)出了一種光合作用產(chǎn)生氫氣的方法,這種方法需要在體內(nèi)融合氫酶和光系統(tǒng)。所得的psaD-hoxYH突變體以光養(yǎng)方式生長,在厭氧條件下,在光下可達(dá)到500μM的光合作用產(chǎn)生的氫的高濃度,并且不會(huì)吸收產(chǎn)生的氫。藍(lán)藻菌體內(nèi)光合產(chǎn)氫過程中所產(chǎn)生的氫氣是使用了unisense微呼吸系統(tǒng)監(jiān)測完成的。相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明,psaD-hoxYH中光合產(chǎn)氫最有可能是基于有氧和無氧光合作用。該研究率先提出了通過光合系統(tǒng)和氫酶在體內(nèi)融合高效生產(chǎn)太陽能氫的概念證明,該研究可能為大規(guī)??沙掷m(xù)生產(chǎn)氫氣開辟了新的可能性。