背景介紹:利用太陽能提供了一個方法來減少對化石燃料的依賴產生氫氣。作為人類和整個社會，我們始終依賴光合作用。一些藍細菌和綠藻分別具有NiFe-或FeFe-氫酶，這使它們能夠自然產生H2。氫氣要么在黑暗中的發酵條件下產生，要么在照明的開始時作為光合作用產生的氫。研究人員嘗試通過光合作用產生氫氣已經有一段時間了，一些人通過在活細胞的體外融合不同的氫化酶（H2酶）與光合系統（PSI）取得了成功。氫化酶是催化質子還原成氫氣的酶，而光系統是一個完整的膜蛋白復合物，通常在光合作用過程中捕捉太陽光的能量。過去的研究介紹了一些將氫化酶與光系統融合的技術，但迄今為止，所有這些技術都只在體外（即在實驗室環境中和活細胞外）證明有效。在體外系統中，由于缺少了能夠自我修復、維護和復制的活細胞，因此，體外系統的壽命本來就很短。因此，最有效生產氫氣的技術應該在體內（即活細胞內）才能很好地發揮作用。

本論文的研究人員最近設計出了一種光合作用產生氫氣的方法，這種方法需要在體內融合藍藻菌內的氫酶和光系統，研究人員率先提出了通過光合系統和氫酶在體內融合高效生產太陽能氫的概念證明。該研究為大規模可持續生產氫氣開辟了新的可能性。

Unisense微呼吸系統的應用

用微呼吸系統（Unisense）測量了藍藻菌的發酵，短期和長期的氫轉化率。將細胞懸浮液置于unisense的微呼吸瓶中（雙室），并分別添加葡萄糖，葡萄糖氧化酶和過氧化氫酶至終濃度分別為10 mM，16 U ml–1和20 U ml–1。在將氧氣和氫氣微呼吸電極插入每個腔室后開始測量。在藍細菌培養物的水相中連續監測氧和氫的濃度。微呼吸瓶中（雙室）用玻璃蓋密封，因此理想情況下樣品上方不存在氣相。但是，放置傳感器的端口無法完全密封，因此H2從樣品中擴散出的量很小。

實驗結果

提出了一種通過與PSI融合的氫化酶光學生產H 2的體內方法，作為進一步的概念驗證。所得突變體psaD-hoxYH產生500μM光學產H2，這是目前為止報道的藍細菌光學產氫的最高濃度。突變體的新陳代謝提供自我修復，維持和復制，從而產生持久耐用的光學產氫的生產系統。藍藻Synechocstis sp.PCC 6803的NiFe-氫化酶HoxYH與其光系統I亞基PsaD融合，靠近4Fe4S簇FB，通常為鐵氧還蛋白提供電子,所得的psaD-hoxYH突變體以光養方式生長，在厭氧條件下，在太陽光的厭氧條件下實現500μM高濃度光合產氫，且不吸收產生的氫。相關數據表明，psaD-hoxYH中光合氫的產生最有可能是基于有氧和無氧光合作用。

圖1、WT和ΔHOX/hoxYH在750納米下（OD750相關的光密度培養物）培養后產氫效果。

圖2、在黑暗中不存在DCMU和存在DCMU的情況下在厭氧條件下和光照下，WT和psaD-hoxYH中體內瞬時產生光和產H2和O2。通過添加葡萄糖，葡萄糖氧化酶和過氧化氫酶來達到厭氧條件。a，隨著H2的吸收，WT菌株中發酵和短暫的光和產H 2濃度。b，在psadh-hoxyh中達到瞬時photoH2濃度。psadh-hoxyh沒有發酵產氫和H2吸收。c，d，WT（c）和psaD-hoxYH（d）中H 2的產生速率。?，WT中瞬時光和產H 2的平均濃度（n=17，–DCMU；n=12，+DCMU）和psaD-hoxYH（n=22，–DCMU；n=9，+DCMU）。f，在WT中暫時性光和產H 2的平均速率和PSAD-hoxYH（?=22，-DCMU;?=9+DCMU）下光和產H 2的平均速率。

圖3、在不存在和存在DCMU的情況下，在連續光照下厭氧條件下，WT和psaD-hoxYH中持久的體內光和產H2。通過添加葡萄糖，葡萄糖氧化酶和過氧化氫酶來達到厭氧條件。a，在WT和psaD-hoxYH中長期光和產H2。b，WT和psaD-hoxYH中持久的光和產H2的速率。c，將WT，ΔhoxH和psaD-hoxYH與700μM H 2在黑暗中于厭氧條件下孵育。在箭頭指示的時間打開燈以測量H 2攝取，H2攝取存在于WT中，但在兩個突變體中都完全不存在。d，由WT和psaD-hoxYH生產的持久光和產H2的最大濃度。e，由WT（n=8，–DCMU；n=5，+DCMU）和psaD-hoxYH（n=16，–DCMU；n=8，+DCMU）產生的持久光和產H 2的平均濃度。從不同的樣品中進行測量；n代表樣本數。F，在WT生產（n=6，-DCMU;n=3，+DCMU）和PSAD-hoxYH（n=19，-DCMU;?=4，+DCMU）持久光和產H2的平均速率。

圖4、在連續光下，厭氧條件下WT和psaD-hoxYH中持久光和產H 2對光的依賴性。通過添加葡萄糖，葡萄糖氧化酶和過氧化氫酶（EM）來維持無氧條件。圖的底部用黑色（熄滅）和白色（點亮）框表示照明條件。a，b，WT（a）和psaD-hoxYH（b）中光合產H2和氧的濃度。c，d，WT（c）和psaD-hoxYH（d）中光合產H2的的速率。

圖5、在DCMU存在下，WT和psaD-hoxYH中對葡萄糖依賴性及持久的光和產H 2。通過在開始測量之前用氬氣吹掃培養物10分鐘來達到厭氧條件。a，b，WT（a）和psaD-hoxYH（b）中的光合產H2濃度。c，d，WT（c）和psaD-hoxYH（d）中的光和產H 2的生產率。圖的底部用黑色（熄滅）和白色（點亮）框表示照明條件。

結論與展望

研究人員嘗試通過光合作用產生氫氣已經有一段時間了，一些人通過在活細胞的體外融合不同的氫化酶（H2酶）與光合系統（PSI）取得了成功。氫化酶是催化質子還原成氫氣的酶，而光系統是一個完整的膜蛋白復合物，通常在光合作用過程中捕捉太陽光的能量。過去的研究介紹了一些將氫化酶與光系統融合的技術，但迄今為止，所有這些技術都只在體外（即在實驗室環境中和活細胞外）證明有效。在體外系統中，由于缺少了能夠自我修復、維護和復制的活細胞，體外系統的壽命本來就很短。因此最有效生產氫氣的技術應該在體內（即活細胞內）才能很好地發揮作用。本論文研究人員設計出了一種光合作用產生氫氣的方法，這種方法需要在體內融合氫酶和光系統。所得的psaD-hoxYH突變體以光養方式生長，在厭氧條件下，在光下可達到500μM的光合作用產生的氫的高濃度，并且不會吸收產生的氫。藍藻菌體內光合產氫過程中所產生的氫氣是使用了unisense微呼吸系統監測完成的。相關研究數據表明，psaD-hoxYH中光合產氫最有可能是基于有氧和無氧光合作用。該研究率先提出了通過光合系統和氫酶在體內融合高效生產太陽能氫的概念證明，該研究可能為大規模可持續生產氫氣開辟了新的可能性。