文｜曹婷婷
一个全新的发现刚刚诞生了——空气也能转化为电能。
具体过程是一种能将空气转化为能源的酶，可以将氢气转化为电流。而且这种酶还是纯天然，它甚至可消耗低于大气水平的氢气，低至人类呼吸的空气的0.00005%。
相比于用蟹壳和废纸造电池，这种天然电池酶从空气中获取电能，无疑为能源设备开辟了一个全新的思路。
澳大利亚墨尔本莫纳什大学生物医学发现研究所教授 Chris Greening和学生Ashleigh Kropp，发现了这种酶，并将成果发在了《Nature》杂志上。
这种酶非常高效，一旦能够落地商用，未来一些小型电子设备就可以直接由空气驱动了。
天然电池酶
其实人们早就知道，存在一种能将微量氢转化为能量的细菌，但这些微生物一般存在于南极土壤、火山口或深海中。
而且一直以来都搞不清楚这种生物是怎样产生能量的，在本次研究中，澳大利亚研究小组解释了原因。
他们在一种名叫“耻垢分枝杆菌”的土壤细菌中，分解出一种耗氢酶（Huc），在先进技术的加持下，研究组破译了氢转化的分子蓝图。也正是这种酶，可以利用空气中的微量氢作为能量来源，帮助细菌生长和生存。
Huc可视化
Huc酶非常高效，它与普通的化学催化剂不同，在反应过程中，Huc酶所消耗的氢气甚至低于大气水平。就算是在稀薄空气中氢含量很少，也能产生能量。
在此之前，澳大利亚研究小组一直没找到合适的方式来长时间存储浓缩的酶，但好在Huc拥有极其稳定的结构。
就在把它放在低于冰点和高达80摄氏度的环境中，也不会限制其分子的能量产生，只要与空气中的微量氢气相遇，Huc酶就会产生持续不断的电流。
所以说，产生电流的步骤非常简单，仅需要两步：
首先从土壤细菌中分解出来Huc酶，然后让Huc酶与空气中的氢气发生反应，产生电流。
那么问题来了，Huc酶是如何被选中的？
澳大利亚小组通过分解耻垢分枝杆菌中氧化的结构后发现，这种细菌中拥有2种氢化酶，分别是Huc和Hhy，这两种酶都能将氢气氧化至亚大气压水平。
他们通过低温电子显微镜确定了其原子结构和电通路，突破界限以产生迄今为止该方法报告的解析度最高的酶结构。发现Huc是一种高效的不敏感酶，可将大气中的氢气氧化与呼吸电子载体甲萘醌进行氢化组合。
使用HucS亚基上的染色体编码的Strep-tag II从耻垢分枝杆菌中分离出 Huc，通过SDS-PAGE表明，Huc 由对应于 HucL（约58 kDa）、HucS–2×Strep（约 39 kDa）和第三个未知亚基（约 18 kDa）的三个蛋白质亚基组成。
Huc包含HucS、HucL、HucM
研究人员测试了纯化的Huc在环境空气中氧化3至100 ppm的H2的能力，用硝基蓝四氮唑（NBT）作为电子接受体，Huc迅速消耗H2，使其低于气相色谱仪的检测限（约40 ppbv）。
Huc的分离和纯化
这意味着它能够适应于氧化大气中的H2，具有高亲和力（Km = 129 nM）和低H2阈值（<31 pM），但周转慢，表明该酶在低H2浓度下也是非常有效。
在特殊显微镜下，Huc的分子形状像四叶草，通过柄状突起与膜囊泡相关联。此外，他们在观察中发现，Huc呈红棕色，在室温下高度稳定，熔化温度为 78.3 °C。
在与氢气的反应过程中，Huc 又表现了“不稳定性”，其能够在低于大气压的浓度下进行氢气氧化，并且在很大程度上对氧气进行抑制，也就是说，Huc 天生就对氢气极为敏感，而氧气刚好进入其活性瓶颈。
有什么实际价值？
其实早在之前，就已经有研究发现，世界上存在多种多样的好氧细菌利用大气中的H2作为生长和生存的能量来源。
但大多数情况下，这些酶容易被O2可逆或不可逆地抑制。澳大利亚学者此次发现的Huc酶，更加稳定，在特定情况下，也具备一定的商业价值。
目前常见的发电方式为水力发电和火力发电，也就是说，利用发电动力装置将水能、化石燃料的热能、核能以及太阳能、风能、地热能、海洋能等转化为电能。
大多国家多以火力发电为主，其发电量在总发电中所占比重为70%以上。
比如日、德的火电所占比重在60%以上；其中挪威、瑞士的水力发电量均占总发电量的90%左右，加拿大超过70%，瑞典也超过60%；芬兰和南斯拉夫则水电与火电各占一半；法国以核电为主，其发电量占总发电量的70%以上。
在20世纪末多用化石燃料，但这些多属于不可再生资源，在社会不断发展的过程中，电能使用越来越多，人们也已多使用可再生资源来发电。
找到天然、可再生资源来产生电能，是一项可持续性开发的项目，不仅澳大利亚小组致力于开发天池电池，以色列理工学院，还找到了从海藻中开发出电流的方式，也就是说，把海藻的光合作用和生物光电化学电池结合起来，在该技术产生的电流竟然与标准太阳能收集器技术获得的电流相当。
不少科学家也在寻找“变废为电”的好法子，充电速度增加4倍的硅电池，还有木头电池、水果发电等，都是为了降低电池成本，寻找更快速的充电方式。
作为“天然电池”，Huc可以和氢气达到持续的电流输出，但目前研究的进度还处于起步阶段，但可以确定的是，未来Huc可以作为开发小型气动设备的基础，比如手表或者智能手机。
但仅仅是这样还不够，此团队希望能够对分子进行特定的改变，对细菌基因组进行修饰，同时扩大Huc酶的生产规模，然后和工程师合作设计利用其产生的电能工作的设备，从而发挥出Huc酶最大的优势。
此外，Huc已经可以作为氢的生物传感器，因为可以在少量氢中进行电子释放，因此Huc酶也可以成为灵敏的测量系统。
但也有人对此展望产生怀疑，拥有一家初创氢能公司的麦考瑞大学的罗伯特威洛斯认为，从稀薄的空气中产生能量的想法是“不切实际”的，他给出的理由是，虽然能产生少量的电流，但这仅仅是适用于需要极少量能量的东西来说，就算是应用于手表之类，未免过于低效。
未来Huc的功能未来被开发到什么程度还不确定，但一个事实是，喝西北风，的确可以充电。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05781-7
