微生物靠空气中微量氢气生存[PNAS] 

瑞士伯尔尼大学的研究人员与来自澳大利亚和新西兰的研究人员合作，在实验室中重建了一个重要过程，该过程能使生物体直接从空气中获取能量。

通过这一成果，他们证实了某些生物体，如细菌，确实可以仅依靠空气生存，而无需依赖阳光或其他能源。这一发现为可持续能源的获取开辟了新的可能性。

氢气在我们的大气中仅以痕量气体的形式存在，浓度为 0.00005%。（0.5ppm）

尽管每年有 7000 万吨新产生的氢气（主要通过光化学过程以及人为生产），但氢气的浓度几乎保持恒定。

长期以来，这种恒定性的原因一直不明确，不过现在已经知道，大部分氢气被土壤中的微生物（如细菌）吸收，这些微生物将氢气用作能源。

专门的酶，即所谓的氢化酶，会从空气中捕捉极为稀少的氢分子，并产生能量。

伯尔尼大学的研究人员与奥塔哥大学、昆士兰科技大学、莫纳什大学和墨尔本大学的同事们首次成功在实验室中重建了生物体从空气中的氢气获取能量的理论过程。

这项刚刚发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的研究结果，首次证明了这一过程确实存在，并解释了为什么某些生物体可以在没有阳光或其他能源的情况下长期生存。

氢气和氧气反应生成水并释放能量

在化学课上，这种能量释放过程通常通过爆鸣气反应来演示。将两份氢气和一份氧气混合在气球中并点燃，反应会产生一声巨响，反应产物是水。

剧烈的爆炸声表明这两种气体的结合能产生大量能量，但需要以热的形式提供初始能量。

伯尔尼大学化学、生物化学和药学系的研究小组负责人、该研究的发起者和最后一位作者克里斯托夫・冯・巴尔莫斯解释说：

“在细菌细胞中，基本上发生着相同的反应。然而，它受到酶的严格控制和催化，不需要初始点火。细菌中的反应至少分为三个步骤，以将释放的能量以细胞能量 ATP 的形式储存起来，而不是像在爆鸣气实验中那样以热的形式损失掉。”

ATP（三磷酸腺苷）是细胞中最重要的能量来源，被用于许多任务，如摄取食物或生产 DNA 和蛋白质。ATP 就像一个小型可充电电池，使用后可以再生。

为了验证这一理论过程是否确实能在生物体中发生，研究人员用纯化的成分构建了一个最小的合成呼吸链。

冯・巴尔莫斯说：“在人体中，细胞呼吸发生在线粒体中，将来自食物的能量转化为 ATP。在此过程中，电子从高能分子逐步转移到氧气上。释放的能量被用来驱动质子循环，该循环通过纳米涡轮机产生 ATP。” 

在当前的研究中，研究人员制造了一个最小的合成呼吸链，仅由三种酶组成，嵌入在人工脂质膜中——其中一种（氢化酶）来自澳大利亚，另外两种（质子泵和纳米涡轮机）来自伯尔尼。

该研究的第二作者、伯尔尼大学化学、生物化学和药学系的博士生斯特凡・莫宁说：“我们最终克服了这个实验的一个难点，就是将蛋白质嵌入膜中，使质子能够朝着正确的方向泵送。”

仅靠空气生存是可能的

这些实验支持了这样一种理论，即某些生物体只能从空气成分中获取生存所需的能量。

冯・巴尔莫斯说：“尽管氢气在空气中的含量微乎其微，但这三种酶能够保存反应产生的能量并将其转化为 ATP。更令人印象深刻的是，氧气在空气中的含量是氢气的 40 万倍，这与爆鸣气反应的理想条件相去甚远。我们计算得出，尽管这个过程进行得很慢，但足以让生物体在困难时期维持生存。”

该研究的第一作者、伯尔尼大学化学、生物化学和药学系的前硕士生萨拉・索姆说：“这个过程不仅解释了为什么大气中的氢气浓度保持恒定，还解释了为什么在南极干燥的沙漠中，尽管没有有机分子存在，生命仍然可能存在，以及为什么生物体可以在没有能源的情况下长期生存。” 

冯・巴尔莫斯说：“据推测，空气中的其他痕量气体，如一氧化碳或甲烷，可能也能促成类似的过程。但这是首次通过实验在氢气上得到证明。仅靠空气就能生存的想法是令人着迷的。”

该反应为可持续能源获取提供可能

氢气与氧气的反应唯一的副产品是纯净水。索姆说：“这使得这种方法成为最环保的能源获取方式之一，可与太阳能相媲美。”

冯・巴尔莫斯说：“如果氢气浓度更高，ATP 的生产速度可以提高很多倍。例如，如果通过光催化水分解能够实现这一点，那么这个过程可能会为合成生物学中的 ATP 生产设定新的标准。”

例如，持续且可持续的 ATP 生产对于酶辅助药物生产或在模型系统中理解生命的起源都很重要。

冯・巴尔莫斯最后说：“仍然有许多问题有待解决，合成呼吸链还可以进一步优化。然而，这项工作是证明其可行性的一个里程碑，也是未来更多有趣应用的开始。”

参考文献

所有细胞都需要持续供应通用能量货币——三磷酸腺苷（ATP），以驱动无数的细胞反应。高度保守的F₁Fₒ-ATP合酶通过利用跨膜电化学质子梯度（pmf），将二磷酸腺苷（ADP）和无机磷酸（Pi）再生为ATP。细菌已进化出多种形成pmf的策略，它们利用光、有机和无机能源。最近，我们提出，当其他能源受限的情况下，许多细菌可利用大气中的微量气体来产生ATP维持生存。然而，目前仍缺乏直接证据证明大气能源足以产生pmf或驱动ATP合成。在此，我们发现，来自耻垢分枝杆菌、与膜相关的氢醌氧化还原酶Huc能够利用空气合成ATP。纯化的Huc能将氢气氧化与多种泛醌和甲基萘醌类似物的还原过程相偶联。我们设计了一条最小呼吸链，其中Huc与包含非泵式但能产生pmf的bd-I氧化酶以及来自大肠杆菌的F₁Fₒ-ATP合酶的脂质体相互作用。我们的实验表明，氢气从空气到溶液的被动交换，足以满足电子传递和pmf生成的需求，进而实现ATP的积累。通过将连续培养生物能学测量与理论计算相结合，我们发现这一过程足以让分枝杆菌在营养匮乏期间维持pmf和ATP合成（每氧化2分子氢气产生2分子ATP），以满足维持生命活动的能量需求。这些发现证实，大气能源可以作为可靠的“生命线”底物，在营养匮乏时实现持续的能量保存。此外，这项研究为合成应用中的ATP生产提供了一种独特工具，与其他方法不同的是，这种工具具有无迹性，不会产生副产物积累。

大气是支持生命的氧气、氮气和二氧化碳的主要来源，但作为能量来源，其关注度直到最近才有所提升。在此，我们发现好氧微生物可以利用空气中的氢气作为能量来源。我们构建了一个受自然启发的最小呼吸链，该呼吸链包含三种酶，能将大气中氢气的氧化与氧气的还原以及三磷酸腺苷（ATP）的合成过程相偶联。据推测，微生物每消耗1分子氢气最多可产生2分子ATP，这使其能够长期存活，且唯一的副产物是水。通过将细胞的复杂性简化为仅三种关键酶成分，我们的研究结果直接证明，从大气中获取能量（即大气营养方式）是一种可行的维持生命的策略。

创新与意义

理论突破：首次直接证明大气H₂可作为微生物的持续能量来源，支持“气养型代谢”假说。揭示了Huc酶的高效醌还原能力及其与呼吸链的耦合机制。

应用潜力：合成生物学：三酶系统（Huc-bd-I-ATP合酶）为无副产物（仅生成水）的ATP生产提供了模板，适用于能源自主的合成细胞或生物传感器。

环境科学：解释了土壤微生物如何通过H₂氧化维持生态功能，影响全球氢循环。

Soom S, Moning SU, Cook GM, Lingford JP, Kropp A, Tran S, Grinter R, Greening C, von Ballmoos C. ATP synthesis driven by atmospheric hydrogen concentrations. Proc Natl Acad Sci U S A. 2025 Jul 29;122(30):e2506353122.