科学家重新进行光合作用以推动我们的未来

氢气是必不可少的商品，全球每年生产超过6000万吨。但是，其中95%以上是通过化石燃料的蒸汽重整生产的，该过程耗能高并且会产生二氧化碳。如果我们能用光和水制得的藻类生物氢替代其中的一部分，那将产生重大影响。

这实质上是分子生物学学院教授兼生物能源与光合作用中心主任凯文·雷丁(Kevin Redding)实验室刚刚实现的结果。他们的研究题为“重新布线光合作用：一种在体内产生氢的光系统I-加氢酶嵌合体”，最近在高影响力的《能源与环境科学》杂志上发表。

雷丁解释说：“我们所做的是证明有可能从光合作用中拦截高能电子，并利用它们驱动化学反应。” “我们这里以制氢为例。”

“凯文·雷丁(Kevin Redding)和他的团队在重新设计I系统光系统方面取得了真正的突破，”分子科学学院临时院长伊恩·古尔德(Ian Gould)解释说。“他们不仅找到了一种方法来重定向复杂的蛋白质结构，该结构是自然界为一个目的设计的，可以执行不同但同样关键的过程，但是他们找到了在分子水平上做到这一点的最佳方法。”

这是公知常识，植物和藻类，以及蓝细菌，使用光合作用产生氧气和“燃料”，后者是氧化的物质如碳水化合物和氢。有两种色素-蛋白质复合物可以协调氧气在光合作用中的主要反应：光系统I(PSI)和光系统II(PSII)。

藻类(在这项工作中，单细胞绿藻衣藻(Chlamydomonas reinhardtii，简称“衣藻”))拥有一种称为氢化酶的酶，该酶利用从铁氧还蛋白中获得的电子，通常用于将电子从PSI运送到各个目的地。一个问题是藻类氢化酶会被PSII不断产生的氧气迅速且不可逆地灭活。

在这项研究中，博士生和第一作者安德烈·坎金(Andrey Kanygin)创建了PSI和氢化酶的基因嵌合体，使它们共同组装并在体内具有活性。这个新组件将电子从二氧化碳固定的方向重定向到生物氢的产生。

“我们认为需要采取一些截然不同的方法，因此，我们疯狂的想法是将氢化酶直接连接至光系统I，以便将大部分电子从水分解中转移(由光系统II分解)以生成分子氢”，雷丁解释道。

表达新光系统(PSI-加氢酶)的细胞以光依赖的方式高速率产生氢气，持续数天。

这一重要结果还将在即将出版的《化学世界》(Royal Society of Chemistry)出版的每月化学新闻杂志《化学世界》(Chemistry World)中得到重点报道。该杂志探讨了化学领域的最新发展，包括影响化学科学界的研究，国际商业新闻和政府政策。

美国国家科学基金会(NSF)为这项研究提供的资金是美国-以色列双边国家科学基金会(BSF)的一部分。在这种安排下，美国科学家和以色列科学家共同组成了一个联合项目。美国合作伙伴向NSF提交了该联合项目的赠款，以色列合作伙伴向ISF(以色列科学基金会)提交了相同的赠款。两家机构必须同意为该项目提供资金，以获得BSF资金。雷丁(Redding)与BSF项目的合作伙伴，特拉维夫大学的Iftach Yacoby教授是一位年轻的科学家，他大约在八年前开始在TAU工作，并致力于增加藻类生物氢产量的不同方法。

总而言之，对光合作用微生物的基本过程进行重新设计可提供一种廉价且可再生的平台，以创建能够驱动艰难的电子反应的生物工厂，这些生物工厂仅靠太阳驱动并使用水作为电子源。