《Nature Chem》：产氢的病毒纳米颗粒

zszhao

活细胞堪称“空间管理大师”，无论是保存遗传信息的细胞核，还是产生能量的线粒体，不同功能不同活性的生物分子被放在不同的地方，各司其职，互不干扰。最近，来自印第安纳大学伯明顿分校的Trevor Douglas团队从活细胞中得到灵感，采用同样的策略用中空病毒纳米颗粒来隔离产氢气的酶，用来生产这一“绿色”燃料。



研究人员一直在寻找一种简单的系统，能够产生H2，这种不含碳的燃料能够直接燃烧为汽车供能，或通过燃料电池产生电能。目前制氢的商业化系统通常需要高温或/和昂贵的催化剂，这大大限制了它们的应用。许多细菌都能产生氢（H2）作为自己新陈代谢的能量源，它们利用氢化酶催化质子（H+）和电子（e-）组成H2分子。

使用氢化酶代替这一工作，可以使用简单廉价的起始原料在环境温度下工作。但这一系统也面临着两个主要的问题。一是氢化酶需要两个亚基配对才具有活性，一旦酶从细菌中分离出来并置于溶液中，它们极少能彼此结合，仍然没有活性；二是周围环境的氧很容易使氢化酶“中毒”并失去活性。




为了解决上述两个问题，Douglas研究团队从P22噬菌体入手，它是一种可以感染沙门氏菌的病毒，会在感染的细菌中产生细小的空心球，这些空心球由其外壳蛋白的420个拷贝组装而成。同时，这些病毒也会诱导细菌在细胞膜外产生一组可以指导这些外壳蛋白自组装的蛋白。研究团队通过基因工程手段保持外壳蛋白基本完整，但对这些指导蛋白进行修改，使得新的指导蛋白能帮助外壳蛋白组装成球体，并向每个小球内部插入大约100个氢化酶的拷贝。

这样一来，氢化酶就被紧密堆积在一起，从而两个亚基就能相互结合形成具有催化活性的复合物，同时，紧密的外壳蛋白也能阻止外部的氧气扩散进来。实验证明，这种纳米颗粒的H2生产效率比原来使用氢化酶的方法提高了100倍。（Self-assembling biomolecular catalysts for hydrogen production. Nature Chemistry, DOI: 10.1038/nchem.2416）

“这是令人兴奋的开创性工作，”加州大学伯克利分校的生物工程学家Seung-Wuk Lee说，他本人没有参与这项工作。到目前为止，这种方法的H2产量并不大，尚不足以与商业化项目相比，但Douglas说他和同事已经找到了提高产氢效率的方法。他也开始采用更复杂的设计，以便在他组装的纳米颗粒里“塞入”更多种类的酶，以生产更复杂的燃料，如甲烷或甲醇。