大气氢浓度驱动的ATP合成：揭示微生物利用痕量气体维持生命的新机制

来自澳大利亚的研究人员为解决极端环境下微生物能量供应难题，开展大气氢驱动ATP合成机制研究。通过构建包含Huc氢化酶、bd-I氧化酶和F1Fo-ATP synthase的最小呼吸链，证实微生物可利用大气H2产生跨膜质子梯度(pmf)并合成ATP（每分子H2产生2个ATP），为理解生命维持机制和合成生物学应用提供新范式。

　　

所有细胞都需要持续供应通用能量货币——三磷酸腺苷(ATP)来驱动无数生化反应。进化上高度保守的F₁F_o-ATP合成酶通过利用跨膜电化学质子梯度(pmf)，将二磷酸腺苷(ADP)与无机磷酸(P_i)重新合成ATP。细菌已进化出多种形成pmf的策略，包括利用光能、有机或无机能源。最新研究发现，分枝杆菌中的膜结合氢醌氧化还原酶(Huc)能够利用空气中极低浓度的氢气驱动ATP合成。研究人员构建了包含三个核心组分的简化呼吸链：Huc酶、非泵质子但能产生pmf的bd-I型氧化酶，以及大肠杆菌的F₁F_o-ATP合成酶。实验证明，空气中氢分子向溶液的被动扩散就足以驱动电子传递链，产生维持ATP合成所需的pmf。理论计算显示，每氧化1个H₂分子可产生2个ATP分子，这种"大气营养"策略能使微生物在营养匮乏时持续获取能量。该研究不仅证实大气痕量气体可作为可靠的"生命线"能源，其构建的最小呼吸链系统更为合成生物学应用提供了无副产物的ATP生产新工具。