科學家重新進行光合作用以推動我們的未來

氫氣是必不可少的商品，全球每年生產超過6000萬噸。但是，其中95%以上是通過化石燃料的蒸汽重整生產的，該過程耗能高并且會產生二氧化碳。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，那將產生重大影響。

這實質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)實驗室剛剛實現的結果。他們的研究題為“重新布線光合作用：一種在體內產生氫的光系統I-加氫酶嵌合體”，最近在高影響力的《能源與環境科學》雜志上發表。

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計I系統光系統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結構，該結構是自然界為一個目的設計的，可以執行不同但同樣關鍵的過程，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，使用光合作用產生氧氣和“燃料”，后者是氧化的物質如碳水化合物和氫。有兩種色素-蛋白質復合物可以協調氧氣在光合作用中的主要反應：光系統I(PSI)和光系統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)創建了PSI和氫化酶的基因嵌合體，使它們共同組裝并在體內具有活性。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I，以便將大部分電子從水分解中轉移(由光系統II分解)以生成分子氫”，雷丁解釋道。

表達新光系統(PSI-加氫酶)的細胞以光依賴的方式高速率產生氫氣，持續數天。

這一重要結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域的最新發展，包括影響化學科學界的研究，國際商業新聞和政府政策。

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合項目。美國合作伙伴向NSF提交了該聯合項目的贈款，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計可提供一種廉價且可再生的平臺，以創建能夠驅動艱難的電子反應的生物工廠，這些生物工廠僅靠太陽驅動并使用水作為電子源。