活細(xì)胞堪稱“空間管理大師”，無論是保存遺傳信息的細(xì)胞核，還是產(chǎn)生能量的線粒體，不同功能不同活性的生物分子被放在不同的地方，各司其職，互不干擾。zui近，來自印第安納大學(xué)伯明頓分校的Trevor Douglas團(tuán)隊(duì)從活細(xì)胞中得到靈感，采用同樣的策略用中空病毒納米顆粒來隔離產(chǎn)氫氣的酶，用來生產(chǎn)這一“綠色”燃料。
 
研究人員一直在尋找一種簡單的系統(tǒng)，能夠產(chǎn)生H2，這種不含碳的燃料能夠直接燃燒為汽車供能，或通過燃料電池產(chǎn)生電能。目前制氫的商業(yè)化系統(tǒng)通常需要高溫或/和昂貴的催化劑，這大大限制了它們的應(yīng)用。許多細(xì)菌都能產(chǎn)生氫（H2）作為自己新陳代謝的能量源，它們利用氫化酶催化質(zhì)子（H+）和電子（e-）組成H2分子。
使用氫化酶代替這一工作，可以使用簡單廉價(jià)的起始原料在環(huán)境溫度下工作。但這一系統(tǒng)也面臨著兩個(gè)主要的問題。一是氫化酶需要兩個(gè)亞基配對才具有活性，一旦酶從細(xì)菌中分離出來并置于溶液中，它們極少能彼此結(jié)合，仍然沒有活性；二是周圍環(huán)境的氧很容易使氫化酶“中毒”并失去活性。
 
為了解決上述兩個(gè)問題，Douglas研究團(tuán)隊(duì)從P22噬菌體入手，它是一種可以感染沙門氏菌的病毒，會在感染的細(xì)菌中產(chǎn)生細(xì)小的空心球，這些空心球由其外殼蛋白的420個(gè)拷貝組裝而成。同時(shí)，這些病毒也會誘導(dǎo)細(xì)菌在細(xì)胞膜外產(chǎn)生一組可以指導(dǎo)這些外殼蛋白自組裝的蛋白。研究團(tuán)隊(duì)通過基因工程手段保持外殼蛋白基本完整，但對這些指導(dǎo)蛋白進(jìn)行修改，使得新的指導(dǎo)蛋白能幫助外殼蛋白組裝成球體，并向每個(gè)小球內(nèi)部插入大約100個(gè)氫化酶的拷貝。
這樣一來，氫化酶就被緊密堆積在一起，從而兩個(gè)亞基就能相互結(jié)合形成具有催化活性的復(fù)合物，同時(shí)，緊密的外殼蛋白也能阻止外部的氧氣擴(kuò)散進(jìn)來。實(shí)驗(yàn)證明，這種納米顆粒的H2生產(chǎn)效率比原來使用氫化酶的方法提高了100倍。（Self-assembling biomolecular catalysts for hydrogen production. Nature Chemistry, DOI: 10.1038/nchem.2416）
“這是令人興奮的開創(chuàng)性工作，”加州大學(xué)伯克利分校的生物工程學(xué)家Seung-Wuk Lee說，他本人沒有參與這項(xiàng)工作。到目前為止，這種方法的H2產(chǎn)量并不大，尚不足以與商業(yè)化項(xiàng)目相比，但Douglas說他和同事已經(jīng)找到了提高產(chǎn)氫效率的方法。他也開始采用更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，以便在他組裝的納米顆粒里“塞入”更多種類的酶，以生產(chǎn)更復(fù)雜的燃料，如甲烷或甲醇。