氫氣是必不可少的商品，全球每年生產(chǎn)超過6000萬噸。但是，其中95%以上是通過化石燃料的蒸汽重整生產(chǎn)的，該過程耗能高并且會產(chǎn)生二氧化碳。如果我們能用光和水制得的藻類生物氫替代其中的一部分，那將產(chǎn)生重大影響。

這實質(zhì)上是分子生物學學院教授兼生物能源與光合作用中心主任凱文·雷丁(Kevin Redding)實驗室剛剛實現(xiàn)的結(jié)果。他們的研究題為“重新布線光合作用：一種在體內(nèi)產(chǎn)生氫的光系統(tǒng)I-加氫酶嵌合體”，最近在高影響力的《能源與環(huán)境科學》雜志上發(fā)表。

雷丁解釋說：“我們所做的是證明有可能從光合作用中攔截高能電子，并利用它們驅(qū)動化學反應。” “我們這里以制氫為例。”

“凱文·雷丁(Kevin Redding)和他的團隊在重新設(shè)計I系統(tǒng)光系統(tǒng)方面取得了真正的突破，”分子科學學院臨時院長伊恩·古爾德(Ian Gould)解釋說。“他們不僅找到了一種方法來重定向復雜的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是自然界為一個目的設(shè)計的，可以執(zhí)行不同但同樣關(guān)鍵的過程，但是他們找到了在分子水平上做到這一點的最佳方法。”

這是公知常識，植物和藻類，以及藍細菌，使用光合作用產(chǎn)生氧氣和“燃料”，后者是氧化的物質(zhì)如碳水化合物和氫。有兩種色素-蛋白質(zhì)復合物可以協(xié)調(diào)氧氣在光合作用中的主要反應：光系統(tǒng)I(PSI)和光系統(tǒng)II(PSII)。

藻類(在這項工作中，單細胞綠藻衣藻(Chlamydomonas reinhardtii，簡稱“衣藻”))擁有一種稱為氫化酶的酶，該酶利用從鐵氧還蛋白中獲得的電子，通常用于將電子從PSI運送到各個目的地。一個問題是藻類氫化酶會被PSII不斷產(chǎn)生的氧氣迅速且不可逆地滅活。

在這項研究中，博士生和第一作者安德烈·坎金(Andrey Kanygin)創(chuàng)建了PSI和氫化酶的基因嵌合體，使它們共同組裝并在體內(nèi)具有活性。這個新組件將電子從二氧化碳固定的方向重定向到生物氫的產(chǎn)生。

“我們認為需要采取一些截然不同的方法，因此，我們瘋狂的想法是將氫化酶直接連接至光系統(tǒng)I，以便將大部分電子從水分解中轉(zhuǎn)移(由光系統(tǒng)II分解)以生成分子氫”，雷丁解釋道。

表達新光系統(tǒng)(PSI-加氫酶)的細胞以光依賴的方式高速率產(chǎn)生氫氣，持續(xù)數(shù)天。

這一重要結(jié)果還將在即將出版的《化學世界》(Royal Society of Chemistry)出版的每月化學新聞雜志《化學世界》(Chemistry World)中得到重點報道。該雜志探討了化學領(lǐng)域的最新發(fā)展，包括影響化學科學界的研究，國際商業(yè)新聞和政府政策。

美國國家科學基金會(NSF)為這項研究提供的資金是美國-以色列雙邊國家科學基金會(BSF)的一部分。在這種安排下，美國科學家和以色列科學家共同組成了一個聯(lián)合項目。美國合作伙伴向NSF提交了該聯(lián)合項目的贈款，以色列合作伙伴向ISF(以色列科學基金會)提交了相同的贈款。兩家機構(gòu)必須同意為該項目提供資金，以獲得BSF資金。雷丁(Redding)與BSF項目的合作伙伴，特拉維夫大學的Iftach Yacoby教授是一位年輕的科學家，他大約在八年前開始在TAU工作，并致力于增加藻類生物氫產(chǎn)量的不同方法。

總而言之，對光合作用微生物的基本過程進行重新設(shè)計可提供一種廉價且可再生的平臺，以創(chuàng)建能夠驅(qū)動艱難的電子反應的生物工廠，這些生物工廠僅靠太陽驅(qū)動并使用水作為電子源。