背景介绍:利用太阳能提供了一个方法来减少对化石燃料的依赖产生氢气。作为人类和整个社会，我们始终依赖光合作用。一些蓝细菌和绿藻分别具有NiFe-或FeFe-氢酶，这使它们能够自然产生H2。氢气要么在黑暗中的发酵条件下产生，要么在照明的开始时作为光合作用产生的氢。研究人员尝试通过光合作用产生氢气已经有一段时间了，一些人通过在活细胞的体外融合不同的氢化酶（H2酶）与光合系统（PSI）取得了成功。氢化酶是催化质子还原成氢气的酶，而光系统是一个完整的膜蛋白复合物，通常在光合作用过程中捕捉太阳光的能量。过去的研究介绍了一些将氢化酶与光系统融合的技术，但迄今为止，所有这些技术都只在体外（即在实验室环境中和活细胞外）证明有效。在体外系统中，由于缺少了能够自我修复、维护和复制的活细胞，因此，体外系统的寿命本来就很短。因此，最有效生产氢气的技术应该在体内（即活细胞内）才能很好地发挥作用。


本论文的研究人员最近设计出了一种光合作用产生氢气的方法，这种方法需要在体内融合蓝藻菌内的氢酶和光系统，研究人员率先提出了通过光合系统和氢酶在体内融合高效生产太阳能氢的概念证明。该研究为大规模可持续生产氢气开辟了新的可能性。


Unisense微呼吸系统的应用


用微呼吸系统（Unisense）测量了蓝藻菌的发酵，短期和长期的氢转化率。将细胞悬浮液置于unisense的微呼吸瓶中（双室），并分别添加葡萄糖，葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶至终浓度分别为10 mM，16 U ml–1和20 U ml–1。在将氧气和氢气微呼吸电极插入每个腔室后开始测量。在蓝细菌培养物的水相中连续监测氧和氢的浓度。微呼吸瓶中（双室）用玻璃盖密封，因此理想情况下样品上方不存在气相。但是，放置传感器的端口无法完全密封，因此H2从样品中扩散出的量很小。


实验结果


提出了一种通过与PSI融合的氢化酶光学生产H 2的体内方法，作为进一步的概念验证。所得突变体psaD-hoxYH产生500µM光学产H2，这是目前为止报道的蓝细菌光学产氢的最高浓度。突变体的新陈代谢提供自我修复，维持和复制，从而产生持久耐用的光学产氢的生产系统。蓝藻Synechocstis sp.PCC 6803的NiFe-氢化酶HoxYH与其光系统I亚基PsaD融合，靠近4Fe4S簇FB，通常为铁氧还蛋白提供电子,所得的psaD-hoxYH突变体以光养方式生长，在厌氧条件下，在太阳光的厌氧条件下实现500μM高浓度光合产氢，且不吸收产生的氢。相关数据表明，psaD-hoxYH中光合氢的产生最有可能是基于有氧和无氧光合作用。

图1、WT和ΔHOX/hoxYH在750纳米下（OD750相关的光密度培养物）培养后产氢效果。

图2、在黑暗中不存在DCMU和存在DCMU的情况下在厌氧条件下和光照下，WT和psaD-hoxYH中体内瞬时产生光和产H2和O2。通过添加葡萄糖，葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶来达到厌氧条件。a，随着H2的吸收，WT菌株中发酵和短暂的光和产H 2浓度。b，在psadh-hoxyh中达到瞬时photoH2浓度。psadh-hoxyh没有发酵产氢和H2吸收。c，d，WT（c）和psaD-hoxYH（d）中H 2的产生速率。Ë，WT中瞬时光和产H 2的平均浓度（n=17，–DCMU；n=12，+DCMU）和psaD-hoxYH（n=22，–DCMU；n=9，+DCMU）。f，在WT中暂时性光和产H 2的平均速率和PSAD-hoxYH（Ñ=22，-DCMU;Ñ=9+DCMU）下光和产H 2的平均速率。

图3、在不存在和存在DCMU的情况下，在连续光照下厌氧条件下，WT和psaD-hoxYH中持久的体内光和产H2。通过添加葡萄糖，葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶来达到厌氧条件。a，在WT和psaD-hoxYH中长期光和产H2。b，WT和psaD-hoxYH中持久的光和产H2的速率。c，将WT，ΔhoxH和psaD-hoxYH与700µM H 2在黑暗中于厌氧条件下孵育。在箭头指示的时间打开灯以测量H 2摄取，H2摄取存在于WT中，但在两个突变体中都完全不存在。d，由WT和psaD-hoxYH生产的持久光和产H2的最大浓度。e，由WT（n=8，–DCMU；n=5，+DCMU）和psaD-hoxYH（n=16，–DCMU；n=8，+DCMU）产生的持久光和产H 2的平均浓度。从不同的样品中进行测量；n代表样本数。F，在WT生产（n=6，-DCMU;n=3，+DCMU）和PSAD-hoxYH（n=19，-DCMU;Ñ=4，+DCMU）持久光和产H2的平均速率。

图4、在连续光下，厌氧条件下WT和psaD-hoxYH中持久光和产H 2对光的依赖性。通过添加葡萄糖，葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶（EM）来维持无氧条件。图的底部用黑色（熄灭）和白色（点亮）框表示照明条件。a，b，WT（a）和psaD-hoxYH（b）中光合产H2和氧的浓度。c，d，WT（c）和psaD-hoxYH（d）中光合产H2的的速率。

图5、在DCMU存在下，WT和psaD-hoxYH中对葡萄糖依赖性及持久的光和产H 2。通过在开始测量之前用氩气吹扫培养物10分钟来达到厌氧条件。a，b，WT（a）和psaD-hoxYH（b）中的光合产H2浓度。c，d，WT（c）和psaD-hoxYH（d）中的光和产H 2的生产率。图的底部用黑色（熄灭）和白色（点亮）框表示照明条件。


结论与展望


研究人员尝试通过光合作用产生氢气已经有一段时间了，一些人通过在活细胞的体外融合不同的氢化酶（H2酶）与光合系统（PSI）取得了成功。氢化酶是催化质子还原成氢气的酶，而光系统是一个完整的膜蛋白复合物，通常在光合作用过程中捕捉太阳光的能量。过去的研究介绍了一些将氢化酶与光系统融合的技术，但迄今为止，所有这些技术都只在体外（即在实验室环境中和活细胞外）证明有效。在体外系统中，由于缺少了能够自我修复、维护和复制的活细胞，体外系统的寿命本来就很短。因此最有效生产氢气的技术应该在体内（即活细胞内）才能很好地发挥作用。本论文研究人员设计出了一种光合作用产生氢气的方法，这种方法需要在体内融合氢酶和光系统。所得的psaD-hoxYH突变体以光养方式生长，在厌氧条件下，在光下可达到500μM的光合作用产生的氢的高浓度，并且不会吸收产生的氢。蓝藻菌体内光合产氢过程中所产生的氢气是使用了unisense微呼吸系统监测完成的。相关研究数据表明，psaD-hoxYH中光合产氢最有可能是基于有氧和无氧光合作用。该研究率先提出了通过光合系统和氢酶在体内融合高效生产太阳能氢的概念证明，该研究可能为大规模可持续生产氢气开辟了新的可能性。