一种通过光合作用产生氢的方法

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研究人员一直在尝试光合生产氢,因为这可以为建立更可持续的能源基础设施铺平道路。其中一些通过在活细胞外体外将不同的氢化酶(H2ase)与光系统I(PSI)融合而获得成功。氢化酶是催化质子还原为氢的酶,而光系统I是不可或缺的膜蛋白复合物,通常在光合作用过程中捕获阳光能量。

该图概述了研究人员设计的方法。图片来源:Appel等。

光合作用产生氢的方法

过去的研究引入了许多将氢酶融合到光系统I的技术,但到目前为止,所有这些技术仅在体外(即,在实验室环境和活细胞外部)证明有效。体外系统的寿命本质上很短,因为缺少能够自我修复,维持和复制的活细胞。因此,最有效的方法是在体内(即活细胞内部)生产太阳能氢的技术也应能很好地发挥作用。

德国基尔大学的研究人员最近设计了一种光合作用产生氢的方法,该方法需要在体内融合氢酶和光系统I。他们的论文发表在《自然能源》上,可以为大规模可持续生产氢气开辟新的可能性。

负责研究小组的Kirstin Gutekunst对TechXplore 表示:“体内方法面临的挑战是,细胞自然需要来自光系统I的电子才能通过Calvin-Benson循环固定CO 2。 ” “显然,他们对将这些电子重定向到氢化酶生产氢不感兴趣。”

Gutekunst和她的同事最近进行的研究有两个主要目标。首先,研究人员希望将氢化酶和光系统I组合在一起,从而与野生型细胞(即其天然存在的形式)中的氢产生相比,能够增强氢的产生。此外,他们希望确保其突变的细胞可以自养生长,并保持其固定CO 2的能力。

Gutekunst说:“幸运的是,光系统I的结构已经存在,并且通过该络合物的电子转移已被详细了解。” “光系统I中的几个FeS簇参与将电子转移到其表面。在野生型中,这些电子被铁氧还蛋白接受,最终将它们提供给卡尔文-本森循环进行CO 2固定。加氢酶也包含FeS接受电子并将它们转移到其活性位点以产生氢的簇。”

研究发现光合电子通量产生氢

过去的研究一直发现,要使电子有效转移,FeS团簇之间的距离应在特定范围内。因此,古特肯斯特(Gutekunst)和她的同事们试图以某种方式融合氢酶和光系统I,以确保光系统的FeS簇与氢酶之间的距离很小,最终使向氢酶的稳定光合电子通量产生氢。

Gutekunst解释说:“我们的设计涉及很多考虑因素。” “但是,最后,我们也很幸运,我们的系统漏水到足以让细胞仍然固定CO 2的同时,它们还产生光合作用的氢。”

在Gutekunst和她的同事进行的实验中,他们的太阳能产生氢的方法导致了psaD-hoxYH突变体的产生,该突变体仍能自养。这使得能够在厌氧条件下光合作用产生高浓度的氢,更具体地说是在光下产生500μM的氢。

研究人员是率先引入通过光系统I和氢化酶在体内融合有效生产太阳能氢的概念证明的人之一。但是,在将其方法应用到现实环境中之前,他们将需要对其进行优化并克服一些技术挑战。

Gutekunst说:“下一步将是通过测试新的融合来优化从光系统I到加氢酶的电子转移,在新的融合中,光系统I的FeS簇和加氢酶之间的距离较小。” “另一项非常重要的任务是将氢的生产完全基于光合作用II的光合作用和光分解。”

到目前为止,Gutekunst和她的同事在突变细胞中产生的氢气是通过有氧和无氧光合作用实现的。这意味着能够在其系统中产生氢的电子部分源自水的裂解,一部分源自其他来源(例如葡萄糖)。

氢化酶融合

此外,利用的氢化酶对氧敏感,这对它们的系统实施构成了挑战,因为在光系统II处的水分解会导致氧的释放,从而使其酶失活。一种方法是利用来自其他生物的耐氧性氢酶。

Gutekunst补充说:“在我们的研究中,我们将加氢酶融合到了蓝藻集胞藻属PCC 6803中的光系统I中。” “我发现它令人兴奋的是或多或少在同一时间由凯文·雷丁领导的一个研究小组成功地融合了氢化到光系统I中的绿色藻类莱茵衣藻。因此,我们现在有两个现有在生产太阳能体内系统的氢在体内光系统 I的手段-氢化酶融合。”

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