一個全新的發(fā)現(xiàn)剛剛誕生了——空氣也能轉(zhuǎn)化為電能。

具體過程是一種能將空氣轉(zhuǎn)化為能源的酶，可以將氫氣轉(zhuǎn)化為電流。而且這種酶還是純天然，它甚至可消耗低于大氣水平的氫氣，低至人類呼吸的空氣的0.00005%。

相比于用蟹殼和廢紙?jiān)祀姵?，這種天然電池酶從空氣中獲取電能，無疑為能源設(shè)備開辟了一個全新的思路。

澳大利亞墨爾本莫納什大學(xué)生物醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)研究所教授ChrisGreening和學(xué)生AshleighKropp，發(fā)現(xiàn)了這種酶，并將成果發(fā)在了《Nature》雜志上。

這種酶非常高效，一旦能夠落地商用，未來一些小型電子設(shè)備就可以直接由空氣驅(qū)動了。

01

天然電池酶

其實(shí)人們早就知道，存在一種能將微量氫轉(zhuǎn)化為能量的細(xì)菌，但這些微生物一般存在于南極土壤、火山口或深海中。

而且一直以來都搞不清楚這種生物是怎樣產(chǎn)生能量的，在本次研究中，澳大利亞研究小組解釋了原因。

他們在一種名叫“恥垢分枝桿菌”的土壤細(xì)菌中，分解出一種耗氫酶（Huc），在先進(jìn)技術(shù)的加持下，研究組破譯了氫轉(zhuǎn)化的分子藍(lán)圖。也正是這種酶，可以利用空氣中的微量氫作為能量來源，幫助細(xì)菌生長和生存。

Huc可視化

Huc酶非常高效，它與普通的化學(xué)催化劑不同，在反應(yīng)過程中，Huc酶所消耗的氫氣甚至低于大氣水平。就算是在稀薄空氣中氫含量很少，也能產(chǎn)生能量。

在此之前，澳大利亞研究小組一直沒找到合適的方式來長時間存儲濃縮的酶，但好在Huc擁有極其穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

就在把它放在低于冰點(diǎn)和高達(dá)80攝氏度的環(huán)境中，也不會限制其分子的能量產(chǎn)生，只要與空氣中的微量氫氣相遇，Huc酶就會產(chǎn)生持續(xù)不斷的電流。

所以說，產(chǎn)生電流的步驟非常簡單，僅需要兩步：

首先從土壤細(xì)菌中分解出來Huc酶，然后讓Huc酶與空氣中的氫氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生電流。

那么問題來了，Huc酶是如何被選中的？

澳大利亞小組通過分解恥垢分枝桿菌中氧化的結(jié)構(gòu)后發(fā)現(xiàn)，這種細(xì)菌中擁有2種氫化酶，分別是Huc和Hhy，這兩種酶都能將氫氣氧化至亞大氣壓水平。

他們通過低溫電子顯微鏡確定了其原子結(jié)構(gòu)和電通路，突破界限以產(chǎn)生迄今為止該方法報告的解析度最高的酶結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)Huc是一種高效的不敏感酶，可將大氣中的氫氣氧化與呼吸電子載體甲萘醌進(jìn)行氫化組合。

使用HucS亞基上的染色體編碼的Strep-tagII從恥垢分枝桿菌中分離出Huc，通過SDS-PAGE表明，Huc由對應(yīng)于HucL（約58kDa）、HucS–2×Strep（約39kDa）和第三個未知亞基（約18kDa）的三個蛋白質(zhì)亞基組成。

Huc包含HucS、HucL、HucM

研究人員測試了純化的Huc在環(huán)境空氣中氧化3至100ppm的H2的能力，用硝基藍(lán)四氮唑（NBT）作為電子接受體，Huc迅速消耗H2，使其低于氣相色譜儀的檢測限（約40ppbv）。

Huc的分離和純化

這意味著它能夠適應(yīng)于氧化大氣中的H2，具有高親和力（Km=129nM）和低H2閾值（<；31pM），但周轉(zhuǎn)慢，表明該酶在低H2濃度下也是非常有效。

在特殊顯微鏡下，Huc的分子形狀像四葉草，通過柄狀突起與膜囊泡相關(guān)聯(lián)。此外，他們在觀察中發(fā)現(xiàn)，Huc呈紅棕色，在室溫下高度穩(wěn)定，熔化溫度為78.3°C。

在與氫氣的反應(yīng)過程中，Huc又表現(xiàn)了“不穩(wěn)定性”，其能夠在低于大氣壓的濃度下進(jìn)行氫氣氧化，并且在很大程度上對氧氣進(jìn)行抑制，也就是說，Huc天生就對氫氣極為敏感，而氧氣剛好進(jìn)入其活性瓶頸。

02

有什么實(shí)際價值？

其實(shí)早在之前，就已經(jīng)有研究發(fā)現(xiàn)，世界上存在多種多樣的好氧細(xì)菌利用大氣中的H2作為生長和生存的能量來源。

但大多數(shù)情況下，這些酶容易被O2可逆或不可逆地抑制。澳大利亞學(xué)者此次發(fā)現(xiàn)的Huc酶，更加穩(wěn)定，在特定情況下，也具備一定的商業(yè)價值。

目前常見的發(fā)電方式為水力發(fā)電和火力發(fā)電，也就是說，利用發(fā)電動力裝置將水能、化石燃料的熱能、核能以及太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽艿绒D(zhuǎn)化為電能。

大多國家多以火力發(fā)電為主，其發(fā)電量在總發(fā)電中所占比重為70%以上。

比如日、德的火電所占比重在60%以上；其中挪威、瑞士的水力發(fā)電量均占總發(fā)電量的90%左右，加拿大超過70%，瑞典也超過60%；芬蘭和南斯拉夫則水電與火電各占一半；法國以核電為主，其發(fā)電量占總發(fā)電量的70%以上。

在20世紀(jì)末多用化石燃料，但這些多屬于不可再生資源，在社會不斷發(fā)展的過程中，電能使用越來越多，人們也已多使用可再生資源來發(fā)電。

找到天然、可再生資源來產(chǎn)生電能，是一項(xiàng)可持續(xù)性開發(fā)的項(xiàng)目，不僅澳大利亞小組致力于開發(fā)天池電池，以色列理工學(xué)院，還找到了從海藻中開發(fā)出電流的方式，也就是說，把海藻的光合作用和生物光電化學(xué)電池結(jié)合起來，在該技術(shù)產(chǎn)生的電流竟然與標(biāo)準(zhǔn)太陽能收集器技術(shù)獲得的電流相當(dāng)。

不少科學(xué)家也在尋找“變廢為電”的好法子，充電速度增加4倍的硅電池，還有木頭電池、水果發(fā)電等，都是為了降低電池成本，尋找更快速的充電方式。

作為“天然電池”，Huc可以和氫氣達(dá)到持續(xù)的電流輸出，但目前研究的進(jìn)度還處于起步階段，但可以確定的是，未來Huc可以作為開發(fā)小型氣動設(shè)備的基礎(chǔ)，比如手表或者智能手機(jī)。

但僅僅是這樣還不夠，此團(tuán)隊(duì)希望能夠?qū)Ψ肿舆M(jìn)行特定的改變，對細(xì)菌基因組進(jìn)行修飾，同時擴(kuò)大Huc酶的生產(chǎn)規(guī)模，然后和工程師合作設(shè)計(jì)利用其產(chǎn)生的電能工作的設(shè)備，從而發(fā)揮出Huc酶最大的優(yōu)勢。

此外，Huc已經(jīng)可以作為氫的生物傳感器，因?yàn)榭梢栽谏倭繗渲羞M(jìn)行電子釋放，因此Huc酶也可以成為靈敏的測量系統(tǒng)。

但也有人對此展望產(chǎn)生懷疑，擁有一家初創(chuàng)氫能公司的麥考瑞大學(xué)的羅伯特威洛斯認(rèn)為，從稀薄的空氣中產(chǎn)生能量的想法是“不切實(shí)際”的，他給出的理由是，雖然能產(chǎn)生少量的電流，但這僅僅是適用于需要極少量能量的東西來說，就算是應(yīng)用于手表之類，未免過于低效。

未來Huc的功能未來被開發(fā)到什么程度還不確定，但一個事實(shí)是，喝西北風(fēng)，的確可以充電。