原生H2通路使细菌中代谢烯烃的生物相容氢化成为可能

将微生物变成微小的绿色工厂

想象一下，常见的肠道细菌可以帮助替代化石燃料来制造日常化学品——从食品防腐剂到塑料——同时还能清理食品废弃物。本研究表明，普通实验室株的大肠埃希氏菌正能做到这一点：它们在细胞内天然产生氢气，而这些氢气可以在细胞表面被利用，驱动在温和水相条件下进行的工业式化学反应。通过将活体微生物与固体金属催化剂配对，研究者提出了一条通向更清洁、节约碳的制造路线。

为什么氢气对日常产品很重要

氢气位居现代化学的核心。它用于将液态油转化为抹酱、提升原油燃料品质，以及合成许多药物和塑料的前体。如今，几乎所有氢气都来自化石燃料，主要是天然气和煤炭，释放大量二氧化碳。与此同时，许多微生物在分解糖类并缺氧时会自然释放氢气。作者要解决的难题是如何利用这一路温和的生物氢流，去驱动那些目前仍依赖高压、有机溶剂和化石气体的工业反应。

让细菌为金属催化剂供能

团队将注意力集中在简单的加氢反应上，即用氢将分子中的双键“饱和”。他们在糖基培养基中培养了几株未改造的大肠埃希氏菌，然后加入一种对活细胞兼容的细分散钯催化剂。在无氧条件下，细菌的原生代谢把糖转化为甲酸，继而在细胞膜内侧产生氢气。显微镜显示带正电的催化剂颗粒附着在带负电的细胞表面，正好在那里与逸出的氢气相遇。在该处，金属催化剂利用微生物产生的氢气将测试分子——咖啡酸还原为其饱和产物，产率非常高——常常优于先前经过大量工程改造的菌株所得的结果。

扩展产物与原料的种类

在基本反应奏效后，研究者尝试了多种含碳—碳双键的分子，包括植物衍生的酸类和长链脂肪化合物。许多底物被顺利转化为其饱和形式，有些几近定量产率。他们还构建了能通过将更多代谢通量导入原生产氢通路来产生额外氢气的大肠埃希氏菌株。这些增强株使得在使用更少金属催化剂的情况下也能实现类似的转化。一个引人注目的转折是，团队用液化的废旧面包替代了纯糖作为碳源。酶把陈旧面包分解成葡萄糖，细菌同样有效地发酵这些糖，将常见的食品废弃物转化为生物氢和增值化学品。

在一个细胞内同时制造原料与燃料

接着，作者探究单个细菌是否能既产生氢气“试剂”，又合成被氢化的未饱和“底物”。他们改造了大肠埃希氏菌，使糖先流入产生芳香族构件（如肉桂酸和香豆酸）的通路，同时流入产生氢气的另一条通路。当培养物内部这些代谢物积累到一定程度后，他们加入了钯催化剂。在细胞表面，催化剂利用原位生成的氢气将新形成的含双键代谢物转化为完全饱和的产物，如氢肉桂酸、脱氨基酪氨酸和己二酸——后者是尼龙的重要前体。在某些设计中，这种共代谢在同一活培养体系内几乎实现了完全转化。

评估气候效益

为了判断这种巧妙的生物化学是否真正有助于气候改善，团队进行了生命周期评估，将他们的混合“化学-微生物”方法与以化石或电解氢为驱动的标准加氢路线进行比较。当生物氢与细胞内底物生产在一个热效率高的单一流程中结合时，总体温室气体排放明显下降。将废旧面包用作原料进一步提升了系统优势：通过避免填埋或焚烧，并把弃置食品转化为化学品，某些情景整体上实现了负碳排放，即移除的温室气体超过了排放量。

这对未来制造意味着什么

简而言之，这项研究表明，普通细菌可以被诱导成为重要化学反应的动力源与原料工厂，而附着在其表面的固体金属默默完成最终转化。由于所有反应都发生在水中、近体温并使用可再生或废弃糖类，这一方法有朝一日可能为传统石化工厂提供更清洁的替代方案。通过进一步工程化微生物通路与催化剂，这一活体细胞平台或能催生新一代可持续流程，将可再生碳与弃置食品转化为实用产品，同时显著降低气候足迹。

引用: White, M.F.M., Trotter, C.L., Steele, J.F.C. et al. Native H₂ pathways enable biocompatible hydrogenation of metabolic alkenes in bacteria. Nat. Chem. 18, 535–543 (2026). https://doi.org/10.1038/s41557-025-02052-y

关键词: 微生物氢气, 绿色化学, 生物催化, 废物转化为化学品, 可持续制造