摘要：在全球能源危机与气候变化的双重挑战下，寻找高效、可持续的清洁能源成为科学界的共同目标。氢气因其燃烧生成物仅为水，具有高能量密度和环保特性，被视为最具潜力的未来能源。然而，目前的氢气生产方式依然面临诸多瓶颈，传统电解水制氢依赖昂贵的贵金属催化剂，且能耗较高；微生
在全球能源危机与气候变化的双重挑战下，寻找高效、可持续的清洁能源成为科学界的共同目标。氢气因其燃烧生成物仅为水，具有高能量密度和环保特性，被视为最具潜力的未来能源。然而，目前的氢气生产方式依然面临诸多瓶颈，传统电解水制氢依赖昂贵的贵金属催化剂，且能耗较高；微生物电化学系统虽然成本较低，但存在氢气产量和效率偏低的问题。
基于此，牛津大学黄巍教授团队通过创新性地结合纳米材料工程与合成生物学，提出了一种全新的氢气生产策略——在细菌 Shewanella oneidensis MR-1 的周质空间内构建“生物纳米反应器”。这种设计充分利用细菌的电活性和可编程特性，将外源电子、质子和催化酶集中在纳米尺度的反应空间中，从而极大地提升了氢气生成效率。更重要的是，这一系统以光和电为驱动力，实现了氢气生产的清洁化和高效化，为未来绿色能源技术开辟了新方向。这项工作以标题“Engineering bionanoreactor in bacteria for efficient hydrogen production”发表在 PNAS 上。
Shewanella oneidensis MR-1 作为一种“电活性”细菌，能够在其内外膜之间的周质空间（宽约 20-30 nm）中有效传递电子和质子。研究团队利用 Shewanella oneidensis MR-1的还原能力，在细菌周质空间成功自组装出铁硫化物（FeS）纳米颗粒。功能测试表明，携带FeS纳米颗粒的细菌在电极上的电子传递速率显著提升，电化学测试中，改造后的细菌从电极获取电子效率更高，为氢化酶反应提供有利条件。改造菌株的电流密度达到 -37 μA/cm²，是未改造菌株的两倍以上，证实 FeS 纳米颗粒显著提升了细菌的电子传递能力，为提高氢气生产效率提供了可能。
图 | S. oneidensis MR-1 周质中生物 FeS 纳米颗粒的自组装（来源：上述论文）
为增强电子传递效率，研究团队利用 Shewanella oneidensis MR-1 的天然还原能力，将氧化石墨烯（GO）还原为还原氧化石墨烯（rGO），并涂覆在电极表面，形成高导电性的涂层。电化学测试显示，rGO 显著提高了细菌与电极之间的电子传递效率，使氢气生成速率从 7.82 μmol/mg/d 提高至 25.69 μmol/mg/d。结合 FeS 纳米颗粒后，氢气产量进一步提升至 43.11 μmol/mg/d，为未改造系统的 5 倍。
为了解决氢气生成过程中质子浓度不足的问题，研究人员在细菌的内膜上设计了一种光驱动质子泵 Gloeobacter rhodopsin (GR)，GR 是一种视紫红质类光敏蛋白，能在光照条件下高效地将质子泵入周质空间。为了增强光能的吸收效率，GR 被进一步与色素分子 canthaxanthin (CAN) 结合，CAN 能够捕获更宽范围的光波，并将光能转移给 GR，从而最大程度地利用阳光驱动质子转移。实验表明，该系统在光照下显著提高了质子浓度，系统电流密度从暗环境下的 -58 μA/cm² 提高到 -64 μA/cm²，为氢化酶提供了理想的化学环境，氢气产率因此提高了 35.6%。
图 | GR 与 CAN 在 S. oneidensis MR-1中表达增强，提升了 H2 的生产（来源：上述论文）
为了进一步提高氢气生成效率，研究团队对 Shewanella oneidensis MR-1 进行了基因工程改造，使其过表达高效催化氢气生成的酶——[FeFe]-氢化酶，显著增强了质子与电子的结合效率。结果显示，改造菌株的氢气生成速率达到 80.4 μmol/mg/d，是野生型菌株的 10 倍，系统法拉第效率也提升至 80%，展示了周质空间内催化反应的显著优化。
在整合 FeS 纳米颗粒、rGO 改良电极、光驱动质子泵系统以及氢化酶过表达的技术后，研究团队构建的生物纳米反应器在光电化学系统中展现出前所未有的性能优势。当施加 -0.75 V 电压并在光照条件下操作时，系统的氢气生成速率达到 80.4 μmol/mg/d。若进一步将电压提升至 -0.85 V，氢气产量可增至 123.55 μmol/mg/d。这项研究在氢气生产的多个关键环节取得了突破性进展。
图|氢气可持续生产示意图（来源：上述论文）
这一“生物纳米反应器”系统通过多种技术协同作用，成功地解决了绿色氢气生产中的效率瓶颈问题。它不仅显著降低了氢气生产的能耗和成本，还提供了更安全、更环保的替代方案。此外，这种模块化设计理念还具有广泛的潜力，可用于合成其他绿色化学品，如甲酸和琥珀酸，为清洁能源技术和绿色化学工业的未来发展奠定了基础。并且，研究团队提出，未来可通过将这些工程化细胞打印在碳纤维布上，制成“人造树叶”，实现大规模氢气生产。同时，通过进一步优化纳米材料和基因工程设计，以及扩大系统的工业化应用，该技术有望成为清洁能源领域的重要突破。
参考链接：
1.Tu W, Thompson I P, Huang W E. Engineering bionanoreactor in bacteria for efficient hydrogen production[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024, 121(29): e2404958121.
免责声明：本文旨在传递合成生物学最新讯息，不代表平台立场，不构成任何投资意见和建议，以官方/公司公告为准。本文也不是治疗方案推荐，如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。
来源：生辉SciPhi