Structural basis for bacterial energy extraction from atmospheric hydrogen

細菌從大氣氫中獲取能量的結構基礎

來源：Nature | Vol 615 | 16 March 2023

 

摘要核心內容

 

論文解析了細菌Mycobacterium smegmatis中氫化酶Huc的結構與功能機制，揭示其如何高效氧化大氣中痕量氫氣（H?）。關鍵發現：

 

超高親和力：Huc的Km=129 nM，可氧化低至31 pM的H?（圖1a,d），遠超傳統氫酶（Km>500 nM）。

 

 

氧氣不敏感性：在21% O?下保持活性（圖1c），打破常規氫酶的氧抑制瓶頸。

獨特能量傳遞：通過94?長的疏水通道直接還原甲萘醌（MQ），驅動呼吸鏈（圖4i）。

 

選擇性氣體通道：狹窄疏水通道（寬4-5?）優先結合H?而非O?（分子動力學模擬，圖3g,h）。

 

研究目的

 

闡明微生物氧化大氣H?的分子機制，填補痕量氣體代謝的知識空白。

解析高親和力氫酶Huc的結構基礎，破解其耐氧性之謎。

揭示Huc與呼吸鏈的偶聯機制，闡明能量傳遞路徑。

 

研究思路

 

graph TD

A[基因工程菌構建] --> B[Huc純化]

B --> C[冷凍電鏡結構解析]

C --> D[酶動力學表征]

D --> E[電化學活性檢測]

E --> F[分子動力學模擬]

F --> G[生理功能驗證]

 

測量數據及意義

 

酶動力學參數（圖1a-d）

數據：Km=129 nM（H?），kcat=7.05 s?1（10倍低于低親和力氫酶）。

意義：量化Huc對痕量H?的捕獲能力，解釋其生態適應性。

 

電化學活性（圖1e-f, 擴展數據圖2）

 

方法：蛋白膜電化學（Unisense電極系統）。

數據：起始電位E?????=-80 mV，過電位η=255 mV（圖1e）。

意義：揭示Huc的高氧化電位特性，為大氣H?氧化提供熱力學基礎。

 

冷凍電鏡結構（圖2, 圖3）

 

 

分辨率：1.52?（核心區），全球最高氫酶結構（圖2c）。

關鍵特征：

八聚體組裝（833 kDa）（圖2a）

3個[3Fe-4S]簇（替代常規[4Fe-4S]）（圖3b）

D-構型組氨酸（His166）調節氧化還原電位（圖3i）

 

氣體通道模擬（圖3g-h）

數據：H?通道瓶頸直徑4.2?（O?需4.8?），實現立體選擇性。

意義：解釋O?耐受性的物理基礎。

 

結論

 

結構-功能偶聯：Huc的窄疏水通道+[3Fe-4S]簇構成高效痕量H?氧化系統。

能量傳遞創新：直接還原MQ（非傳統電子載體），通過94?長通道實現跨膜能量傳遞（圖4i）。

生態與工程價值：為全球H?循環提供分子解釋，并為生物燃料電池設計提供新模板。

 

Unisense電極數據的詳細解讀

技術原理

 

檢測核心：Unisense微電極系統（三電極體系：工作電極/參比電極/對電極）

關鍵參數：

旋轉圓盤電極（PGE，2mm直徑）

恒電位儀控制電壓掃描（-600至+100 mV vs. SHE）

H?濃度梯度：10 ppm至5%（圖1f）

 

研究意義

 

超高靈敏度驗證（圖1f）

在10 ppm H?（≈40 nM）下仍檢測到催化電流，直接證明Huc對大氣H?（530 ppb）的氧化能力。

 

過電位量化（圖1e）

η=255 mV的測量值解釋：高過電位降低反應速率（kcat低），但提升對低濃度H?的響應能力，破解高親和力之謎。

 

氧氣耐受機制（擴展數據圖2）

對比實驗：E. coli Hyd1在21% O?下失活，Huc電流穩定（圖1b），實證O?不敏感性。

 

生理電子受體確認

甲萘醌（E°=-74 mV）為最佳電子受體（圖1d），支持Huc-MQ直接偶聯模型（圖4i）。

 

技術優勢

 

無損檢測：蛋白膜電化學保持酶天然構象

動態監測：實時解析催化電流與H?濃度的關系（圖1f）

生理相關性：模擬細胞膜界面環境（電極表面固定化酶）

 

總結：Unisense電極數據是連接酶結構與生態功能的橋梁，通過精準電化學表征，揭示Huc突破“低濃度H?+高O?”雙重限制的分子機制，為理解全球氫循環提供關鍵技術支撐。