这是一位艺术家对P22-Hyd燃料的构想图。P22-Hyd是一种由可催化氢的形成的酶及包裹它的病毒外壳形成的新型生物材料。
摘要：研究人员创造了一种可高效催化形成氢气的生物材料。这项技术有望将水分解生成的氧气与氢气转化成一种价廉、高效的汽车燃料。
Indiana University的科学家们创造了一种可高效催化形成的生物材料。这项技术有望将水分解生成的氧气与氢气转化成一种价廉、高效的汽车燃料。
一种经过修饰的酶在细菌病毒的蛋白质外壳或衣壳保护下，可获得更高的催化效率。它比这种酶单独使用的效率高出150倍左右。
这种材料的创造过程已经以论文的形式发表在近期的《自然·化学》杂志上，文章名为Self-assembling biomolecular catalysts for hydrogen production。
“本质上，我们利用了病毒可对大量基因构成单元进行自组装的性质，使得结构脆弱而敏感的酶具有更加优良的性质，能够更高效地占据氢核，使水分解形成氢
气。”领导这项研究的印第安纳大学（IU）布卢明顿艺术与科学学院化学系Earl Blough化学教授Trevor
Douglas说。“结果表明，这种由类病毒粒子构成的材料表现出来的性能与高度复杂的氢催化材料相近。”
其他参与该项研究的IU研究员有化学系助理教授Megan C. Thielges、博士研究生Ethan J.
Edwards以及Alios BioPharma的博士后研究员Paul C. Jordan。Paul C.
Jordan在研究期间也是印第安纳大学的博士研究生。
这种基因材料是将大肠杆菌的两种基因插入衣壳中而形成的，可以生产氢化酶。衣壳的分离方法参照IU科学家以前的研究成果。两种基因分别为hyaA
与hyaB，是大肠杆菌中氢化酶的两个重要亚基。衣壳来源于细菌噬菌体P22.该生物材料被命名为P22-Hyd，不仅效率高于酶本身，还可在室温下简单
发酵而得。
同当前使用的同类燃料电池相比，这种材料价格更低，其生产过程对环境损害小。以稀有金属铂金为例，它也常用于高端概念车等产品的燃料的氢催化过程，但价格昂贵。
“这种材料的性能在各方面堪与铂金比拟，然而它是真正的可再生材料，”Douglas说道。“你不需要开矿，只需要一些发酵设备即可在室温下进行大规模生产。它也是一种生物可降解材料。作为一种高端可持续材料，材料本身及其生产都是环保的。”
此外，P22-Hyd既能破坏水内部的化学键使之形成氢原子，也能使氢原子、氧原子重组形成氢气与氧气，从而作为动力来源。“这个反应包括两条路径，因此该材料既可作为氢生产的催化剂，也可作为燃料电池的催化剂。”Douglas说道。
在自然界中氢化酶有三种形式：双铁型 (FeFe)、单铁型 (Fe-only)与镍铁型(NiFe)。新材料选择了第三种——镍铁型。这种氢化酶容易形成生物材料，对氧具有较好的耐受性。
镍铁型氢化酶在衣壳保护下可拥有较高的耐化学性，也可以在室温下发挥催化作用。与之相反，镍铁型氢化酶本身对环境极为敏感，容易化学分解，在略高于室温
时也容易分解。而这两点都使得单一酶的工业生产及商业应用受阻，如汽车领域。这些敏感性“是这些酶不能满足技术应用领域要求的关键因素” Douglas
说道。另一个原因则是生产的困难。
“尽管这种材料在生物燃料生产领域具有无限的潜力，在此之前却无人创造出一种可大规模生产该种氢化酶的方法。但是现在，我们拥有了该种材料的稳定化大规模生产的方法，其生产效率也得到了极大的提升。”他说。
据加州大学伯克利分销生物工程教授Seung-Wuk
Lee说，这项研究具有重要意义。他本人并没有参与该项研究。“Douglas所带领的小组在过去二十年里，一直处于蛋白质基或病毒基纳米材料领域的顶
端。这是一项开创性的工作，这种绿色洁净的燃料不仅可以解决当今世界面临的能源问题，对不远的未来生活也将产生重要影响。”
Lee说道。美国国会关于病毒在工业生产上的使用报告中也曾引用过Lee的成果。
在这项研究之后，Douglas及其同事继续对
P22-Hyd进行修饰，即通过改变催化反应的激发方式创造更理想的氢催化材料。与实验室常用的引入电子进行激发的方法不同，研究小组采用了光激发的方
法。“下一步是将这种材料用于太阳能驱动的系统中。”Douglas 说道。
翻译/彭爽娟 审稿/檀泽浩
http://www.sciencedaily.com/releases/2016/01/160104164212.htm
留言