《Nature》，从大气氢气中提取细菌能量的结构基础

大气中微量的氢气可以作为一种能量源来支持细菌的生长和存活，并且可以调节大气成分，增强土壤生物多样性，驱动极端环境中的初级生产力。然而，对于使用 [NiFe] 氢酶超家族成员将大气 H2 氧化为能量的机制尚未解决。

3月8日，来自澳大利亚维多利亚州克莱顿莫纳什大学生物医学发现研究所微生物学系的Rhys Grinter等人在Nature期刊发表论文"Structural basis for bacterial energy extraction from atmospheric hydrogen"。本研究目的是通过研究 Mycobacterium smegmatis 氢酶 Huc 的结构和机制来探究这一问题。

本文使用冷冻电子显微镜技术确定了 Huc 的分子结构，并发现 Huc 是一种高效的耐氧酶，能够将大气中的 H2 氧化成呼吸电子载体维生素 K 的氢化物。研究表明，Huc 使用狭窄的疏水气道选择性地结合大气中的 H2，并通过 3 个 [3Fe-4S] 簇调节酶的性质，使大气中的 H2 氧化成为可能。此外，Huc 的催化亚基形成一个八聚体 833 kDa 复合物，围绕着一个与膜相关的柄，该柄将维生素 K 运输和还原到距离膜 94 Å 处。因此，本文为生物地球化学和生态学中重要的大气 H2 氧化过程提供了一个机械基础，并揭示了一种依赖于远程维生素 K 运输的能量耦合模式，为在环境空气中氧化 H2 的催化剂的开发铺平了道路。         

这篇文章的研究方法主要是使用冷冻电子显微镜技术来确定 Huc 的分子结构，并通过生物化学和电化学特性的表征来研究 Huc 的机制。文章还使用分子动力学模拟、傅里叶变换红外光谱和电子顺磁共振技术等方法来对 Huc 的性质进行探究。         

他们得出的结论是，Huc 是一种耐氧高亲和力酶，具有大电化学过电位，狭窄的气道可以选择性地结合大气中的 H2，而且通过 3 个 [3Fe-4S] 簇调节其性质，使大气中的 H2 氧化成为可能。

原文链接: https://www.nature.com/articles/s41586-023-05781-7

转自：“科学研究进展”微信公众号

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